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JP2002510853A - Primary battery with built-in controller (DC / DC converter) to extend battery run time - Google Patents

Primary battery with built-in controller (DC / DC converter) to extend battery run time

Info

Publication number
JP2002510853A
JP2002510853A JP2000542818A JP2000542818A JP2002510853A JP 2002510853 A JP2002510853 A JP 2002510853A JP 2000542818 A JP2000542818 A JP 2000542818A JP 2000542818 A JP2000542818 A JP 2000542818A JP 2002510853 A JP2002510853 A JP 2002510853A
Authority
JP
Japan
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voltage
cell
battery
controller
converter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2000542818A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
ガートスタイン,ウラジミール
ダニロ ネブリジック,ドラゴン
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Procter and Gamble Co
Original Assignee
Procter and Gamble Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Procter and Gamble Co filed Critical Procter and Gamble Co
Publication of JP2002510853A publication Critical patent/JP2002510853A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

(57)【要約】 電池のラン・タイムを延ばす内蔵コントローラを有する電池を開示する。コントローラは、たとえば、セル電圧を、電子デバイスのカットオフ電圧よりも高い出力電圧に変換するか、あるいはセル電圧を、電池の電気化学的セルの公称電圧よりも低い出力電圧に変換するか、あるいは電気化学的セルを電流ピークから保護することによって電池のラン・タイムを延ばすことができる。コントローラは、コンバータがより低いセル電圧で動作できるように仮想グラウンドを供給するグラウンド・バイアス回路を含むこともできる。電池は、単一セル電池、汎用単一セル電池、多重セル電池、または多重セル混成電池でよい。 SUMMARY A battery having a built-in controller for extending battery run time is disclosed. The controller may, for example, convert the cell voltage to an output voltage higher than the cut-off voltage of the electronic device, or convert the cell voltage to an output voltage lower than the nominal voltage of the electrochemical cell of the battery, or By protecting the electrochemical cell from current peaks, the run time of the battery can be extended. The controller may also include a ground bias circuit that provides a virtual ground so that the converter can operate at lower cell voltages. The battery may be a single cell battery, a universal single cell battery, a multi-cell battery, or a multi-cell hybrid battery.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】 (発明の分野) 本発明は、一次電池に関し、詳細には電池ラン・タイムを延ばすために内蔵コ
ントローラを有する一次電池に関する。
FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to primary batteries, and more particularly to primary batteries having a built-in controller to extend battery run time.

【0002】 (発明の背景) 消費者は、ラジオ、コンパクト・ディスク・プレーヤ、カメラ、携帯電話、電
子ゲーム、玩具、無線呼出し、コンピュータ装置などの携帯電子デバイスで一次
消費者電池を使用している。このような電池のラン・タイムが終了すると、電池
は通常、廃棄される。この時点では通常、典型的な電池の総蓄電容量の約40%
ないし70%しか使用されていない。初期蓄積エネルギーのこの部分が使用され
た後、電池は一般に、電子デバイスを駆動するのに十分な電圧を供給することが
できなくなる。したがって、消費者は一般に、電池が依然としてその蓄電容量の
約30%ないし60%を含んでいる場合でも電池を廃棄する。安全なより深い放
電を行うことによってこのような電池のラン・タイムを延ばすと、電池が廃棄さ
れる前に電子デバイスが電池の全蓄電容量まで使用することを可能にすることに
よって、無駄を削減することができる。
BACKGROUND OF THE INVENTION Consumers use primary consumer batteries in portable electronic devices such as radios, compact disc players, cameras, mobile phones, electronic games, toys, wireless calling, computer equipment, and the like. . At the end of such battery run time, the battery is typically discarded. At this point, typically about 40% of the total storage capacity of a typical battery
Only 70% are used. After this portion of the initial stored energy has been used, the battery will generally not be able to supply enough voltage to drive the electronic device. Thus, consumers generally discard batteries even if they still contain about 30% to 60% of their storage capacity. Prolonging the run time of such batteries by providing a safer deeper discharge reduces waste by allowing electronic devices to use up to the full storage capacity of the battery before it is disposed of can do.

【0003】 また、消費者は常に、より小形でより軽量の携帯電子デバイスを要求する。こ
のようなデバイスをより小形でより軽量にする場合の主要な障害の1つは、デバ
イスに電力を供給するのに必要な電池の寸法および重量である。実際、電子回路
は、より高速にかつより複雑になるにつれて、通常、以前よりも多くの電流を必
要とし、したがって、電池に対する要件はずっと大きくなる。しかし、消費者は
、機能および速度が向上するために電池をずっと頻繁に交換する必要が生じる場
合は、より強力で小形のデバイスを受け入れない。したがって、電池ラン・タイ
ムを短くせずにより高速でより複雑な電子デバイスを構築するには、電子デバイ
スが電池をより効率的に使用するか、あるいは電池自体が蓄積エネルギーの利用
度を高める必要がある。
[0003] Consumers also constantly demand smaller, lighter portable electronic devices. One of the major obstacles in making such devices smaller and lighter is the size and weight of the batteries required to power the device. In fact, as electronic circuits become faster and more complex, they typically require more current than before, and thus the requirements for batteries are much greater. However, consumers do not embrace more powerful and smaller devices when batteries need to be replaced more frequently for increased functionality and speed. Therefore, to build faster and more complex electronic devices without shortening the battery run time, the electronic devices must use the batteries more efficiently, or the batteries themselves must use more of the stored energy. is there.

【0004】 いくつかのより高価な電子デバイスには、1つまたは複数の電池の出力電圧を
変換しかつ/または安定化するデバイス内のスイッチング回路(たとえば、DC
/DCコンバータ)などの電圧調整器回路が含まれる。これらのデバイスでは、
複数の単一セル電池が一般に直列に接続され、コンバータは電池の電圧を、負荷
回路で必要とされる電圧に変換する。コンバータは、普通なら、負荷回路が必要
とするよりも多くの電圧、したがってより多くの電力を電池が供給する電池放電
の初期部分において電池出力電圧を段階的に低下させ、かつ/または普通なら、
出力電圧が負荷回路が必要とするよりも低いために電池が枯渇する電池放電の後
期部分において電池出力電圧を段階的に上昇させることによって、電池のサービ
ス・ラン・タイムを延ばすことができる。
[0004] Some more expensive electronic devices include switching circuits (eg, DC) in the device that convert and / or stabilize the output voltage of one or more batteries.
/ DC converter). On these devices,
A plurality of single cell batteries are typically connected in series, and the converter converts the battery voltage to the voltage required by the load circuit. The converter typically steps down the battery output voltage during the initial portion of the battery discharge, where the battery supplies more voltage, and thus more power, than the load circuit requires, and / or
By gradually increasing the battery output voltage in the late part of the battery discharge when the battery is depleted because the output voltage is lower than required by the load circuit, the service run time of the battery can be extended.

【0005】 しかし、電子デバイス内にコンバータを有すつ手法はいくつかの欠点を有する
。第1に、あらゆるデバイス製造業者が、比較的限られた量で作製される特定の
回路設計を有し、したがって個々の高いコストを有するので、コンバータは電子
デバイスに配置するには比較的高価である。第2に、電池供給業者が、特定の電
池と共に使用される種類のコンバータを制御することはできない。したがって、
コンバータは、それぞれの種類の電池セルの特定の電気化学的特性について最適
化されていない。第3に、アルカリ電池やリチウム電池など様々な種類の電池セ
ルは、それぞれの異なる電気化学的特性および公称電圧を有し、したがって、容
易に相互交換することはできない。また、コンバータは電子デバイス内の貴重な
空間を占有し、電子デバイスの重量を増大させる。また、いくつかの電子デバイ
スは、DC/DCコンバータなどより効率的なスイッチング・コンバータの代わ
りに線形調整器を使用している。また、スイッチング・コンバータを含む電子デ
バイスは、無線周波数(「rf」)送信機などの電子デバイス内の隣接する回路
に悪影響を与える恐れのある電磁干渉(EMI)を発生させる可能性がある。し
かし、電池内にコンバータを配置することによって、EMIの影響を受ける他の
電子機器から離れた位置にEMI源を配置することができ、かつ/または電池の
導電容器によってEMI源を遮蔽することができる。
[0005] However, having a converter in an electronic device has several disadvantages. First, converters are relatively expensive to place in electronic devices because every device manufacturer has a specific circuit design made in a relatively limited amount, and thus has a high individual cost. is there. Second, the battery supplier cannot control the type of converter used with a particular battery. Therefore,
Converters are not optimized for the specific electrochemical properties of each type of battery cell. Third, various types of battery cells, such as alkaline and lithium batteries, have different electrochemical properties and nominal voltages and therefore cannot be easily interchanged. Also, converters occupy valuable space in the electronic device and increase the weight of the electronic device. Also, some electronic devices use linear regulators instead of more efficient switching converters such as DC / DC converters. Also, electronic devices that include switching converters can generate electromagnetic interference (EMI) that can adversely affect adjacent circuits in the electronic device, such as radio frequency ("rf") transmitters. However, by placing the converter in the battery, the EMI source can be located at a distance from other EMI-sensitive electronics and / or the EMI source can be shielded by the battery's conductive enclosure. it can.

【0006】 現在の電圧コンバータに関する他の問題は、このようなコンバータが通常、コ
ンバータを駆動するのに十分な電圧を生成するように直列に接続された複数の電
気化学的電池を必要とすることである。この場合、コンバータは電圧を、電子デ
バイスによって必要とされるレベルまで段階的に低下させることができる。した
がって、コンバータの入力電圧要件のために、電子デバイスは、それ自体が単一
のセルを使用するだけでよい場合でも複数の電気化学的セルを含まなければなら
ない。このため、空間および重量が無駄に使用され、電子デバイスのさらなる小
形化が妨げられる。
Another problem with current voltage converters is that such converters typically require a plurality of electrochemical cells connected in series to generate sufficient voltage to drive the converter. It is. In this case, the converter can step down the voltage to the level required by the electronic device. Thus, due to the input voltage requirements of the converter, the electronic device must include multiple electrochemical cells, even if it only needs to use a single cell. For this reason, space and weight are wasted, and further miniaturization of the electronic device is prevented.

【0007】 したがって、一次消費者電池を廃棄する前にこのような電池の蓄電容量のより
多くの部分を使用し、電池に使用する空間および重量を少なくして携帯電子デバ
イスをさらに小形化する必要がある。
Therefore, prior to disposal of primary consumer batteries, there is a need to use more of the storage capacity of such batteries, reduce the space and weight used by the batteries, and further miniaturize portable electronic devices. There is.

【0008】 また、より一般的な回路を設計することなどによって電子デバイス用のDC/
DCコンバータのコストを削減する必要がある。
Further, by designing a more general circuit, a DC / DC for an electronic device is designed.
There is a need to reduce the cost of DC converters.

【0009】 特定の種類の電気化学的セルの特定の電気化学的特性を利用することのできる
コンバータを設計する必要もある。
[0009] There is also a need to design converters that can take advantage of certain electrochemical properties of certain types of electrochemical cells.

【0010】 また、電気化学的セルのセル化学的性質を変更することなしに様々な公称電圧
または内部インピーダンスを有する電気化学的セルを有する相互交換可能な電池
を開発する必要もある。
There is also a need to develop interchangeable batteries having electrochemical cells with different nominal voltages or internal impedances without changing the cell chemistry of the electrochemical cells.

【0011】 さらに、様々な種類の電気化学的セルを同じ電池にパッケージングできるよう
にする混成電池を開発する必要がある。
Further, there is a need to develop a hybrid battery that allows various types of electrochemical cells to be packaged in the same battery.

【0012】 さらに、電子デバイスまたは電気デバイスの影響を受ける回路を、スイッチン
グ・コンバータによって生じるEMI干渉から保護する必要もある。
[0012] There is also a need to protect circuits affected by electronic or electrical devices from EMI interference caused by switching converters.

【0013】 (発明の概要) 本発明は、蓄積エネルギーのより多くの部分を使用することによってラン・タ
イムを延ばす一次電池である。この電池は、典型的な電子デバイスの電圧しきい
値よりも低い電圧で動作することのできるDC/DCコンバータを含む内蔵コン
トローラを有する。このコントローラは、セルの電圧をより効率的に調整し、電
池の蓄積エネルギーのより多くの部分を使用できるように電池の安全な深い放電
を可能にする。コントローラは好ましくは、アルカリ・セル、亜鉛炭素セル、N
iCdセル、リチウム・セル、酸化銀セル、混成セルなど特定の種類の電気化学
的セルと共に動作するか、あるいは特定の電子デバイスと共に動作するようにカ
スタム設計された混合モード・シリコン・チップ上に配設される。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is a primary battery that extends run time by using more of the stored energy. The battery has a built-in controller that includes a DC / DC converter that can operate at voltages below the voltage threshold of typical electronic devices. This controller regulates the cell voltage more efficiently and allows for a safe deep discharge of the battery so that more of the battery's stored energy can be used. The controller is preferably an alkaline cell, zinc carbon cell, N
Operates with specific types of electrochemical cells, such as iCd cells, lithium cells, silver oxide cells, hybrid cells, or on a mixed mode silicon chip that is custom designed to work with specific electronic devices. Is established.

【0014】 コントローラは好ましくは、(1)DC/DCコンバータのオン、オフを切り
替え、(2)電池が電力を供給することが所期されている電子デバイスのカット
オフ電圧よりも入力電圧が低いときに最小限の出力電圧を維持し、(3)電池出
力インピーダンスを低下させることによって、電池のラン・タイムを最適に延ば
すように負荷への電力供給を監視し制御する。
The controller preferably has (1) a DC / DC converter on and off, and (2) an input voltage lower than a cut-off voltage of the electronic device for which the battery is intended to supply power. (3) Monitor and control the power supply to the load to optimally extend the run time of the battery by maintaining a minimum output voltage and (3) reducing the battery output impedance.

【0015】 好ましい実施形態では、コントローラは、標準AAA電池、標準AA電池、標
準C電池、標準D電池などの単一セル一次電池内部に取り付けられるか(たとえ
ば容器内)、あるいは標準9V電池などの多重セル一次電池の各セル内部に取り
付けられる。これによって、いくつかの異なる利点が与えられる。第1に、電池
設計者は各種類の電気化学的セルの特定の電気化学的特性を利用することができ
る。第2に、標準電気化学的セルに作用するように設計された電子デバイスの要
件を満たすように出力電圧および/または出力インピーダンスを変更または安定
化することによって、様々な種類の電気化学的セルを相互交換可能に使用するこ
とができる。たとえば、電池設計者は、リチウム・セル化学エネルギー蓄積量を
減らすことなしに公称セル電圧を約2.8Vないし約4.0Vから約1.5Vの
範囲で段階的に低下させることによって、標準1.5V AA電池のパッケージ
ング要件および電気要件を満たすリチウムMnO2セルなどのリチウム電気化学
的セルを含む超効率的リチウム電池を設計することができる。設計者は、リチウ
ム・セルのより高いセル電圧を利用することによって、電池のサービス・ラン・
タイムを大幅に延ばすことができる。第3に、コンバータ回路を単一セル電池ま
たは多重セル電池内に配置することによって、内部の調整器やコンバータなしで
電子デバイスを設計することができる。このことは、電子機器の寸法を小さくし
、より廉価でより小形でより軽量の携帯電子デバイスを形成する助けとなる。ま
た、電気化学的セルを含む導電容器は、コントローラ回路の周りに遮蔽層も形成
し、コントローラのDC/DCコンバータによって生じる電磁干渉(「EMI」
)から無線周波数(「rf」)送信機および無線周波数受信機など近傍の電子回
路を保護する。また、各電気化学的セル内にコントローラを設けることによって
、現在利用可能な制御よりもずっと安全で効果的な制御があらゆる電気化学的セ
ルに施される。コントローラは、各電気化学的セル内の状態を監視し、電子デバ
イスが停止する前に各電気化学的セルができるだけ完全に枯渇するようにする。
In a preferred embodiment, the controller is mounted inside a single cell primary battery (eg, in a container) such as a standard AAA battery, a standard AAA battery, a standard C battery, a standard D battery, or a controller such as a standard 9V battery. Attached inside each cell of a multi-cell primary battery. This offers several different advantages. First, battery designers can take advantage of the specific electrochemical properties of each type of electrochemical cell. Second, by changing or stabilizing the output voltage and / or output impedance to meet the requirements of electronic devices designed to operate on standard electrochemical cells, various types of electrochemical cells can be used. Can be used interchangeably. For example, battery designers can reduce the nominal cell voltage stepwise from about 2.8V to about 4.0V to about 1.5V without reducing the lithium cell chemical energy storage to reduce the standard 1 voltage. Super-efficient lithium batteries can be designed including lithium electrochemical cells, such as lithium MnO2 cells, that meet the packaging and electrical requirements of 0.5V AA batteries. Designers can take advantage of the higher cell voltage of lithium cells to save battery service runs.
The time can be greatly extended. Third, by placing the converter circuit in a single cell battery or a multi-cell battery, electronic devices can be designed without internal regulators and converters. This helps to reduce the size of the electronics and create cheaper, smaller and lighter portable electronic devices. The conductive container, including the electrochemical cell, also forms a shielding layer around the controller circuit, and creates electromagnetic interference ("EMI") caused by the controller's DC / DC converter.
) To protect nearby electronic circuits such as radio frequency ("rf") transmitters and radio frequency receivers. Also, by providing a controller in each electrochemical cell, a much safer and more effective control is provided for every electrochemical cell than is currently available. The controller monitors the condition within each electrochemical cell and ensures that each electrochemical cell is completely depleted before the electronic device shuts down.

【0016】 このコントローラによって、本発明の電池を広範囲のデバイスに使用すること
もできる。本発明の電池は、上記にリストしたようなカットオフ電圧を有する電
気デバイスまたは電子デバイスと共に使用されるか、それとも閃光灯などカット
オフ電圧を有さない電気デバイスと共に使用されるかにかかわらず既知の電池に
勝る利点を与える。
The controller also allows the battery of the present invention to be used in a wide range of devices. The batteries of the present invention are known whether used with electrical or electronic devices having a cut-off voltage as listed above or with electrical devices having no cut-off voltage, such as flashlights. Gives advantages over batteries.

【0017】 大量の電池を販売することにより、各種類の電子デバイスごとに個別の調整器
またはコンバータを設計する場合よりもずっと廉価にチップを作製することがで
きるので、コントローラ・チップをずっと経済的に作製することもできる。
By selling a large number of batteries, controller chips can be made much more economical because they can be made much cheaper than designing individual regulators or converters for each type of electronic device. Can also be manufactured.

【0018】 DC/DCコンバータの1つの好ましい実施形態は、パルス幅移相変調制御方
式を使用する、ほぼインダクタレスで高周波数、高効率、低入力電圧の中電力コ
ンバータである。
One preferred embodiment of a DC / DC converter is a nearly inductorless, high frequency, high efficiency, low input voltage, medium power converter that uses a pulse width phase shift modulation control scheme.

【0019】 本発明の他の特徴および利点について、本発明の好ましい実施形態の説明に関
して説明する。
[0019] Other features and advantages of the present invention will be described with reference to the description of the preferred embodiments of the invention.

【0020】 本明細書の結論は、本発明とみなされる主題を具体的に指摘し明確に請求する
特許請求の範囲に記載されているが、本発明は、以下の説明を添付の図面と共に
検討したときにより良く理解されよう。
While the conclusions of this specification are set forth in the claims which particularly point out and distinctly claim the subject matter regarded as the invention, the invention will be studied in conjunction with the appended drawings. Will be better understood.

【0021】 (発明の詳細な説明) 本発明は一次単一セル電池および一次多重セル電池に関する。本明細書では「
一次」の語が使用されており、この語は、使用可能な蓄電容量が枯渇した後で廃
棄される(すなわち、再充電されることも、あるいはその他の方法で再使用され
ることもない)電池または電気化学的セルを指す。「消費者」の語は、本明細書
では、消費者によって購入または使用される電子デバイスまたは電気デバイスで
使用される電池を指す。「単一セル」の語は、標準AA型電池、標準AAA型電
池、標準C型電池、標準D型電池など個別にパッケージングされた単一電気化学
的セルを有する電池、または多重セル電池(たとえば、標準9V電池や、携帯電
話またはラップトップ・コンピュータ用の電池)内の単一セルを指す。「電池」
の語は、本出願では、端子および単一の電気化学的セルを有する容器、または端
子を有し、少なくとも実質的に2つ以上の電気化学的セル(たとえば、標準9V
電池や携帯電話またはラップトップ・コンピュータ用の電池)を含むハウジング
を指す。電気化学的セルは、各セルがそれ自体の個別の容器を有する場合、ハウ
ジングによって完全に密閉される必要はない。たとえば、携帯電話の電池は、2
つ以上の電気化学的セルを含むことができ、各セルは、それ自体の個別の容器を
有しており、個々の容器を保持するがセルの個々の容器を完全には密閉しないシ
ュリンクラップ・プラスチック材料でパッケージングされている。本出願では、
「混成電池」の語は、少なくとも2つのセルが異なる電極や、異なる一対の電極
や、異なる電解液など異なる電気化学的要素を有する2つ以上の電気化学的セル
を含む多重セル電池を含む。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to primary single cell batteries and primary multi-cell batteries. In this specification,
The term "primary" is used and is discarded after the available storage capacity has been exhausted (ie, not recharged or otherwise reused) Refers to a battery or an electrochemical cell. The term "consumer" as used herein refers to batteries used in electronic or electrical devices purchased or used by consumers. The term "single cell" refers to a battery having a single electrochemical cell individually packaged, such as a standard AA battery, a standard AAA battery, a standard C battery, a standard D battery, or a multi-cell battery ( (For example, a standard 9V battery or a battery for a mobile phone or laptop computer). "battery"
Refers to a container having a terminal and a single electrochemical cell, or at least substantially two or more electrochemical cells (eg, a standard 9V
Batteries or batteries for mobile phones or laptop computers). The electrochemical cells need not be completely sealed by the housing if each cell has its own individual container. For example, the cell phone battery is 2
One or more electrochemical cells can be included, each cell having its own individual container, a shrink wrap that holds the individual containers but does not completely seal the individual containers of the cell. Packaged in plastic material. In this application,
The term "hybrid battery" includes multi-cell batteries in which at least two cells include two or more electrochemical cells having different electrodes, different pairs of electrodes, and different electrochemical components such as different electrolytes.

【0022】 「コントローラ」の語は、本出願では、少なくとも1つの入力信号を受け入れ
、少なくとも1つの出力信号、すなわち、入力信号の関数を与える回路を指す。
「DC/DCコンバータ」および「コンバータ」の語は、本出願では相互交換可
能に使用され、入力DC電圧を必要なDC出力電圧に変換するスイッチング型、
すなわちチョッパ制御式のDC/DCコンバータを指す。DC/DCコンバータ
は、しばしば調整された出力を生成する電力電子回路である。このコンバータは
、段階的に上昇する電圧レベル、段階的に降下する電圧レベル、またはほとんど
同じレベルの調整された電圧を供給することができる。当技術分野では、多くの
様々な種類のDC/DCコンバータが周知である。本発明は、典型的な電子デバ
イスが動作できなくなる電圧レベルよりも低い電圧レベルで動作することのでき
る、本出願に記載された好ましいコンバータのそれほど有利ではないが可能な代
替例としての既知のコンバータまたは線形調整器の使用を企図するものである。
The term “controller” in this application refers to a circuit that accepts at least one input signal and provides at least one output signal, ie, a function of the input signal.
The terms “DC / DC converter” and “converter” are used interchangeably in this application and are switching types that convert an input DC voltage to a required DC output voltage;
That is, it refers to a chopper-controlled DC / DC converter. DC / DC converters are power electronics that often produce a regulated output. The converter can provide a regulated voltage with a step-up voltage level, a step-down voltage level, or almost the same level. Many different types of DC / DC converters are well known in the art. The present invention relates to a known converter as a less advantageous but possible alternative to the preferred converter described in this application, which can operate at a voltage level lower than the voltage level at which a typical electronic device cannot operate. Or the use of a linear regulator.

【0023】 「カットオフ電圧」とは、電池に接続された電気デバイスまたは電子デバイス
が動作できなくなる電圧である。したがって、「カットオフ電圧」はデバイスに
依存し、すなわち、レベルはデバイスの最低動作電圧(関数終点)または動作周
波数に依存する(たとえば、所与の期間内にキャパシタを充電しなければならな
い)。電子デバイスは一般に、約1Vないし約1.2Vの範囲のカットオフ電圧
を有し、いくつかの電子デバイスは、約0.9V程度のカットオフ電圧を有する
。電気時計、モータ、電気化学的リレーなどの機械的可動部品を有する電気デバ
イスは、機械的部品を移動させるほど強力な電磁界を発生させるのに十分な電流
を供給するのに必要なカットオフ電圧も有する。閃光灯など他の電気デバイスは
一般に、デバイス・カットオフ電圧を有さないが、デバイスに電力を供給する電
池の電圧が低下するにつれて、出力電力(たとえば、電球強度)も低下する。
“Cutoff voltage” is a voltage at which an electric or electronic device connected to a battery cannot operate. Thus, the "cut-off voltage" is device dependent, i.e., the level depends on the device's minimum operating voltage (function endpoint) or operating frequency (e.g., the capacitor must be charged within a given time period). Electronic devices generally have a cutoff voltage in the range of about 1V to about 1.2V, and some electronic devices have a cutoff voltage on the order of about 0.9V. Electrical devices with mechanical moving parts, such as electric watches, motors, electrochemical relays, etc., have a cut-off voltage required to supply enough current to generate an electromagnetic field strong enough to move the mechanical parts Also have. Other electrical devices, such as flashlights, generally do not have a device cutoff voltage, but as the voltage of the battery that powers the device decreases, the output power (eg, bulb intensity) also decreases.

【0024】 本発明の一態様は、電池の「サービス・ラン・タイム」を延ばすことである。
「電池サービス・ラン・タイム」と「電池ラン・タイム」は相互交換可能であり
、電池の出力電圧が、電池が電力を供給しているデバイスの最低動作電圧、すな
わち、そのデバイスのカットオフ電圧よりも低い電圧に降下するまでの放電サイ
クルの時間として定義される。「セル・ラン・タイム」は電気化学的セル自体、
すなわち、セルのすべての電気化学的エネルギーを枯渇することに依存するが、
「電池ラン・タイム」は、電池が使用されるデバイスに依存する。カットオフ電
圧が約1Vである電子デバイスは、電気化学的セルのエネルギー蓄積容量の少な
くとも50%が残っている場合でも、電池出力電圧が1Vよりも低い電圧に降下
したときに停止する。この例では、電池がもはや、電子デバイスを駆動するのに
十分なエネルギーを生成できず、一般に廃棄されるので、「電池ラン・タイム」
が経過している。しかし、セルの電気化学的エネルギーが残っているので「セル
・ラン・タイム」は経過していない。
One aspect of the present invention is to extend the “service run time” of a battery.
"Battery service run time" and "battery run time" are interchangeable, and the output voltage of the battery is the minimum operating voltage of the device that the battery is supplying, that is, the cut-off voltage of that device. It is defined as the time of the discharge cycle before dropping to a lower voltage. "Cell run time" refers to the electrochemical cell itself,
That is, depending on the depletion of all electrochemical energy in the cell,
"Battery run time" depends on the device in which the battery is used. An electronic device with a cutoff voltage of about 1V will shut down when the battery output voltage drops below 1V, even if at least 50% of the energy storage capacity of the electrochemical cell remains. In this example, the "battery run time" because the battery can no longer produce enough energy to drive the electronic device and is generally discarded
Has passed. However, the "cell run time" has not elapsed since the electrochemical energy of the cell remains.

【0025】 本出願では、「電気化学的セルの有効寿命」または「セル有効寿命」の語は、
電気化学的セルが使い捨てセルであるか、それとも再充電可能セルであるかにか
かわらずに使用されており、電気化学的セルが、電力を供給しているデバイスを
駆動するのに十分な電圧を供給できないので、セルがもはや特定の放電サイクル
で有用でなくなるまでの時間が「セル有効寿命」であるという点で、電池ラン・
タイムに対応する。単一セル電池の「セル・ラン・タイム」を延ばすか、あるい
は短くした場合、必然的に「セル有効寿命」および「電池ラン・タイム」もそれ
ぞれ延びるか、あるいは短くなる。また、単一セル電池の「電池ラン・タイム」
および「セル有効寿命」の語は、単一セル電池の「電池ラン・タイム」または「
セル有効寿命」を延ばすか、あるいは短くした場合にそれぞれ、「セル有効寿命
」または「電池ラン・タイム」も延びるか、あるいは短くなるという点で相互交
換可能である。しかし、これに対して、特定の電気化学的セルの有効寿命は多重
セル電池の電池ラン・タイムが経過した後でも依然として残っているので、多重
セル電池内の特定の電気化学的セルの「セル有効寿命」の語は必ずしも、多重セ
ル電池の「電池ラン・タイム」の語と相互交換可能ではない。同様に、多重セル
電池内の特定の電気化学的セルの「セル・ラン・タイム」を延ばすか、あるいは
短くした場合、「電池ラン・タイム」は、電池内の1つまたは複数の他のセルの
セル電圧に依存するので必ずしも延びるわけではなく、あるいは短くなるわけで
はない。
In this application, the term “service life of an electrochemical cell” or “cell useful life”
Used whether the electrochemical cell is a disposable cell or a rechargeable cell, the electrochemical cell generates a voltage sufficient to drive the device that is supplying power. Battery run, in that the time it takes for a cell to no longer be useful in a particular discharge cycle is the "cell useful life."
Respond to time. If the "cell run time" of a single cell battery is extended or shortened, the "cell useful life" and "battery run time" necessarily increase or decrease, respectively. In addition, the “battery run time” of single cell batteries
And the term "cell useful life" refer to the "battery run time" or "
It is interchangeable in that extending or shortening the "cell useful life" also increases or decreases the "cell useful life" or "battery run time," respectively. However, in contrast, the useful life of a particular electrochemical cell remains even after the battery run time of the multi-cell battery has passed, so the "cell" of the particular electrochemical cell within the multi-cell battery The term "service life" is not necessarily interchangeable with the term "battery run time" for multi-cell batteries. Similarly, if the "cell run time" of a particular electrochemical cell in a multi-cell battery is extended or shortened, the "battery run time" is determined by one or more other cells in the battery. Therefore, it does not always increase or does not shorten because it depends on the cell voltage.

【0026】 「電気的に接続された」および「電気的接続」の語は、連続的な電流の流れを
可能にする接続を指す。「「電子的に接続された」および「電子的接続」の語は
、トランジスタやダイオードなどの電子デバイスが電流経路に含まれる接続を指
す。「電子的接続」は、本出願では、あらゆる「電子接続」が「電気接続」とみ
なされるが、あらゆる「電気接続」が「電子接続」とみなされるわけではないと
いうように、「電気接続」の部分集合とみなされる。
The terms “electrically connected” and “electrical connection” refer to a connection that allows for continuous current flow. The terms "electronically connected" and "electronic connection" refer to connections in which electronic devices, such as transistors and diodes, are included in a current path. "Electrical connection" is defined as "electrical connection" such that in this application every "electronic connection" is considered an "electrical connection" but not every "electrical connection" is considered an "electronic connection". Is considered to be a subset of.

【0027】 図1ないし図3は、議論のために簡略化された典型的な筒状電池10構造を示
す。各筒状電池10構造は、様々な構成の同じ基本構造要素を有する。それぞれ
の場合に、構造は、ジャケットまたは側壁14と、正端子20を含む頂部キャッ
プ16と、負端子22を含む底部キャップ18とを有する容器を含む。容器12
は、単一の電気化学的セル30を密閉する。図1は、筒状の単一の亜鉛炭素電気
化学的セル30電池10に使用することのできる構成を示す。この構成では、頂
部キャップ16全体が導電性であり、電池10の正端子20を形成する。絶縁性
のワッシャまたはシール24は、導電性の頂部キャップ16を電気化学的セル3
0から絶縁する。電極または集電装置26は、電池10の外部正端子20と電気
化学的セル30のカソード(正電極)32を電気的に接続する。底部キャップ1
8も全体的に導電性であり、電池10の外部負端子22を形成する。底部キャッ
プは電気化学的セル30のアノード(負電極)34に電気的に接続される。セパ
レータ28は、アノードとカソードとの間に配設され、電解液を介してイオンを
伝導する手段を形成する。たとえば、亜鉛炭素電池は通常、この種の構成でパッ
ケージングされる。
FIGS. 1-3 show a typical tubular battery 10 structure simplified for discussion. Each tubular battery 10 structure has the same basic structural elements in various configurations. In each case, the structure includes a container having a jacket or sidewall 14, a top cap 16 including a positive terminal 20, and a bottom cap 18 including a negative terminal 22. Container 12
Seals a single electrochemical cell 30. FIG. 1 shows a configuration that can be used for a single cylindrical zinc-carbon electrochemical cell 30 battery 10. In this configuration, the entire top cap 16 is conductive and forms the positive terminal 20 of the battery 10. An insulating washer or seal 24 secures the conductive top cap 16 to the electrochemical cell 3.
Insulate from zero. The electrode or current collector 26 electrically connects the external positive terminal 20 of the battery 10 and the cathode (positive electrode) 32 of the electrochemical cell 30. Bottom cap 1
8 is also entirely conductive and forms the external negative terminal 22 of the battery 10. The bottom cap is electrically connected to the anode (negative electrode) 34 of the electrochemical cell 30. The separator 28 is disposed between the anode and the cathode, and forms a means for conducting ions through the electrolyte. For example, zinc carbon batteries are typically packaged in this type of configuration.

【0028】 図2は、絶縁性のワッシャまたはシール24が底部キャップ18を電気化学的
セル30から絶縁するように示されている代替電池設計を示す。この場合、頂部
キャップ16全体が導電性であり、電池の正端子20を形成する。頂部キャップ
16は電気化学的セル30のカソード32に電気的に接続される。底部キャップ
18は、やはり導電性であり、電池の負端子22を形成する。底部キャップ18
は、集電装置26を介して電池セル30のアノード34に電気的に接続される。
セパレータ28は、アノードとカソードとの間に配設され、電解液を介してイオ
ンを伝導する手段を形成する。たとえば、アルカリ(亜鉛/二酸化マンガン)電
池は通常、この種の構成でパッケージングされる。
FIG. 2 shows an alternative battery design in which an insulating washer or seal 24 is shown to insulate the bottom cap 18 from the electrochemical cell 30. In this case, the entire top cap 16 is conductive and forms the positive terminal 20 of the battery. Top cap 16 is electrically connected to cathode 32 of electrochemical cell 30. The bottom cap 18 is also conductive and forms the negative terminal 22 of the battery. Bottom cap 18
Is electrically connected to the anode 34 of the battery cell 30 via the current collector 26.
The separator 28 is disposed between the anode and the cathode, and forms a means for conducting ions through the electrolyte. For example, alkaline (zinc / manganese dioxide) batteries are typically packaged in this type of configuration.

【0029】 図3は、電気化学的セル30が「らせん巻きジェリー・ロール」構造で形成さ
れた他の代替電池設計を示す。この設計では、4つの層が「積層型」構造で互い
に隣接して配設される。この「積層型」構造はたとえば、カソード層32、第1
のセパレータ層28、アノード層34、および第2のセパレータ層28の各層を
この順に含むことができる。別法として、カソード32層とアノード34層との
間に配設されていない第2のセパレータ層28を絶縁層で置き換えることができ
る。この「積層型」構造は次いで、筒状らせん巻きジェリー・ロール構成として
巻かれ、電池10の容器12内に配置される。絶縁性のワッシャまたはシール2
4は、頂部キャップ16を電気化学的セル30から絶縁するように示されている
。この場合、頂部キャップ16全体が導電性であり、電池10の正端子20を形
成する。頂部キャップ16は集電装置26を介して電気化学的セル30のカソー
ド層32に電気的に接続される。底部キャップ18は、やはり導電性であり、電
池の負端子22を形成する。底部キャップ18は、導電性底部プレート19を介
して電池セル30のアノード34に電気的に接続される。セパレータ層28は、
カソード層32とアノード層34との間に配設され、電解液を介してイオンを伝
導する手段を形成する。側壁14を、頂部キャップ16および底部キャップ18
に接続されて示す。この場合、側壁14は、ポリマなどの非導電性材料から形成
されていることが好ましい。しかし、側壁14は、少なくとも1つの正端子20
および/または負端子22から絶縁され、したがって2つの端子の間に短絡を形
成しない場合には、金属などの導電性材料で構成することもできる。たとえば、
リチウム二酸化マンガン(MnO2)電池などのリチウム電池は通常、この種の
構成でパッケージングされる。
FIG. 3 shows another alternative battery design in which the electrochemical cell 30 is formed in a “spiral-wound jelly-roll” configuration. In this design, four layers are disposed adjacent to each other in a "stacked" configuration. This “laminated” structure is, for example, the cathode layer 32, the first
, The anode layer 34, and the second separator layer 28 in this order. Alternatively, the second separator layer 28, which is not disposed between the cathode 32 and anode 34 layers, can be replaced by an insulating layer. This “stacked” structure is then wound into a tubular spiral wound jelly roll configuration and placed in the container 12 of the battery 10. Insulating washer or seal 2
4 is shown to insulate the top cap 16 from the electrochemical cell 30. In this case, the entire top cap 16 is conductive and forms the positive terminal 20 of the battery 10. Top cap 16 is electrically connected to cathode layer 32 of electrochemical cell 30 via current collector 26. The bottom cap 18 is also conductive and forms the negative terminal 22 of the battery. The bottom cap 18 is electrically connected to the anode 34 of the battery cell 30 via the conductive bottom plate 19. The separator layer 28
It is disposed between the cathode layer 32 and the anode layer 34 and forms a means for conducting ions through the electrolyte. The side wall 14 is provided with a top cap 16 and a bottom cap 18.
Shown connected. In this case, the side wall 14 is preferably formed from a non-conductive material such as a polymer. However, the side wall 14 has at least one positive terminal 20
If it is insulated from the negative terminal 22 and thus does not form a short circuit between the two terminals, it can also be made of a conductive material such as a metal. For example,
Lithium batteries, such as lithium manganese dioxide (MnO2) batteries, are typically packaged in this type of configuration.

【0030】 これらのセルはそれぞれ、当技術分野でよく知られている安全ベント、動作の
ために空気を交換することを必要とする電気化学的セル用の動作ベント、容量イ
ンディケータ、ラベルなど種々の形態を含むこともできる。また、セルは、ボタ
ン・セル、コイン・セル、プリズム・セル、フラット・プレート・セル、バイポ
ーラ・プレート・セルなど当技術分野で知られている他の構造に構成することが
できる。
Each of these cells may include a variety of safety vents well known in the art, operating vents for electrochemical cells that require an exchange of air for operation, volume indicators, labels, etc. Forms can also be included. Also, the cells can be configured in other structures known in the art, such as button cells, coin cells, prism cells, flat plate cells, bipolar plate cells, and the like.

【0031】 本発明では、電池「容器」12は単一の電気化学的セル30を収納する。容器
12は、電気化学的セル30の2つの電極32および34、セパレータ、および
電解液を環境および多重セル電池内の他の電気化学的セルから絶縁し保護すると
共に、容器の外側の電気化学的セル30からの電気エネルギーを供給するのに必
要なすべての要素を含む。したがって、図1および図2の容器12は側壁14と
、頂部キャップ16および底部キャップ18と、セル30の電気的接続を可能に
する正端子20および負端子22を含む。多重セル電池において、容器は単一の
電気化学的セル30を含む個々の構造でよく、この容器12は多重セル電池内の
複数の個々の容器のうちの1つでよい。別法として、ハウジングが、電極および
一方の電気化学的セルを環境から完全に絶縁すると共に、電池内の他の各セルか
ら完全に絶縁する場合、容器12を多重セル電池のハウジングの一部で形成する
ことができる。容器12は、金属などの導電材料とプラスチックやポリマなどの
絶縁材料との組合せで作製することができる。
In the present invention, the battery “container” 12 contains a single electrochemical cell 30. The container 12 insulates and protects the two electrodes 32 and 34 of the electrochemical cell 30, the separator, and the electrolyte from the environment and other electrochemical cells in the multi-cell battery, as well as the electrochemical outside of the container. Includes all elements necessary to supply electrical energy from cell 30. Thus, the container 12 of FIGS. 1 and 2 includes the side wall 14, the top cap 16 and the bottom cap 18, and the positive terminal 20 and the negative terminal 22 that enable the electrical connection of the cell 30. In a multi-cell battery, the container may be an individual structure containing a single electrochemical cell 30, and the container 12 may be one of a plurality of individual containers in a multi-cell battery. Alternatively, if the housing completely insulates the electrodes and one of the electrochemical cells from the environment and from each other cell in the battery, the container 12 may be part of the housing of the multi-cell battery. Can be formed. The container 12 can be made of a combination of a conductive material such as a metal and an insulating material such as a plastic or a polymer.

【0032】 しかし、容器12は、各セルがそれ自体の電極および電解液を含む個々に絶縁
された別々のセルを含む多重セル電池ハウジングと区別する必要がある。たとえ
ば、標準アルカリ9V電池ハウジングは、図6に示されているように、各セルが
それ自体の容器612を有する、6つの個々のアルカリ・セルを密閉する。しか
し、いくつかのリチウム9V電池において、電池のハウジングは、電気化学的セ
ルの電極および電解液を絶縁する個々のチャンバを有するように形成され、した
がって、ハウジングは、各セル用の個々の容器12と電池全体用のハウジングの
両方を含む。
However, the container 12 needs to be distinguished from a multi-cell battery housing, where each cell includes a separate, individually insulated cell containing its own electrode and electrolyte. For example, a standard alkaline 9V battery housing seals six individual alkaline cells, each cell having its own container 612, as shown in FIG. However, in some lithium 9V batteries, the battery housing is formed to have individual chambers that insulate the electrodes of the electrochemical cells and the electrolyte, so that the housing has a separate container 12 for each cell. And the housing for the entire battery.

【0033】 図5A、図5B、および図5Cは、単一セル筒状一次電池に関する本発明の3
つの実施形態の部分分解図を示す。図5Aでは、電池210の頂部キャップ21
6と絶縁ワッシャ224との間にコントローラ240が配置されている。コント
ローラ240の正出力242は、コントローラ240のすぐ隣に位置する電池2
10の正端子220に電気的に接続され、コントローラ240の負出力244は
電池210の負端子222に電気的に接続される。この例では、コントローラ2
40の負出力244は、電池210の導電性底部キャップ218の負端子222
に電気的に接触する導電性側壁214を介して電池210の負端子222に接続
される。この場合、導電性側壁を頂部キャップ216から電気的に絶縁しなけれ
ばならない。コントローラ240の正入力246は集電装置226を介して電気
化学的セル230のカソード232に電気的に接続される。コントローラ240
の負入力248は導電性ストリップ237を介して電気化学的セル230のアノ
ード234に電気的に接続される。別法として、コントローラ240を底部キャ
ップ218と絶縁体225との間に配置することも、あるいは電池の容器または
ラベルの外側に取り付けるか、あるいは接合することもできる。
FIGS. 5A, 5B, and 5 C show three embodiments of the present invention relating to a single cell cylindrical primary battery.
2 shows a partially exploded view of one embodiment. In FIG. 5A, the top cap 21 of the battery 210 is shown.
6 and an insulating washer 224 are provided with a controller 240. The positive output 242 of the controller 240 is the battery 2 located immediately next to the controller 240.
The negative output 244 of the controller 240 is electrically connected to the negative terminal 222 of the battery 210. In this example, controller 2
The negative output 244 of 40 is connected to the negative terminal 222 of the conductive bottom cap 218 of the battery 210.
Is connected to the negative terminal 222 of the battery 210 via a conductive side wall 214 that makes electrical contact with the battery. In this case, the conductive sidewall must be electrically insulated from the top cap 216. Positive input 246 of controller 240 is electrically connected to cathode 232 of electrochemical cell 230 via current collector 226. Controller 240
The negative input 248 is electrically connected to the anode 234 of the electrochemical cell 230 via a conductive strip 237. Alternatively, the controller 240 can be located between the bottom cap 218 and the insulator 225, or can be attached or joined to the outside of the battery container or label.

【0034】 図5Bでは、電池310の底部キャップ318と絶縁体325との間にコント
ローラ340が配置される。コントローラ340の負出力344は、コントロー
ラ340のすぐ隣に位置する電池310の負端子322に電気的に接続され、コ
ントローラ340の正出力342は電池310の正端子320に電気的に接続さ
れる。この例では、コントローラ340の正出力342は、電池310の導電性
頂部キャップ316の正端子320に電気的に接触する導電性側壁314を介し
て電池310の正端子320に接続される。コントローラ340の正入力346
は導電性ストリップ336を介して電気化学的セル330のカソード332に電
気的に接続される。コントローラ340の負入力348は、電気化学的セル33
0の底部プレート319からアノード334内に延びる集電装置326を介して
電気化学的セル330のアノード334に電気的に接続される。このような場合
、コントローラ340が仮想グラウンドを使用する場合、集電装置326および
コントローラ340の負入力348を容器312の負端子322およびコントロ
ーラ340の負出力344から絶縁しなければならない。別法として、コントロ
ーラ340を頂部キャップ316と絶縁体324との間に配置することも、ある
いは電池の容器312またはラベルの外側に取り付けるか、あるいは接合するこ
ともできる。
In FIG. 5B, a controller 340 is located between the bottom cap 318 of the battery 310 and the insulator 325. Negative output 344 of controller 340 is electrically connected to negative terminal 322 of battery 310 located immediately adjacent to controller 340, and positive output 342 of controller 340 is electrically connected to positive terminal 320 of battery 310. In this example, the positive output 342 of the controller 340 is connected to the positive terminal 320 of the battery 310 via a conductive sidewall 314 that electrically contacts the positive terminal 320 of the conductive top cap 316 of the battery 310. Positive input 346 of controller 340
Is electrically connected to the cathode 332 of the electrochemical cell 330 via a conductive strip 336. Negative input 348 of controller 340 is connected to electrochemical cell 33.
It is electrically connected to the anode 334 of the electrochemical cell 330 via a current collector 326 extending from the bottom plate 319 into the anode 334. In such a case, if controller 340 uses a virtual ground, current collector 326 and negative input 348 of controller 340 must be isolated from negative terminal 322 of container 312 and negative output 344 of controller 340. Alternatively, controller 340 may be located between top cap 316 and insulator 324, or may be attached or joined to the outside of battery container 312 or label.

【0035】 図5Cでは、コントローラ440が、厚膜印刷技法を使用してラッパ441上
に形成されるか、あるいは可撓性のプリント基板(「PCB」)上に形成され、
電池410の容器内部の、側壁414とカソード432との間に配置される。コ
ントローラ440の正出力442は、電池410の頂部キャップ416を介して
電池410の正端子420に電気的に接続され、コントローラ440の負出力4
44は、底部プレート419および底部キャップ418を介して電池410の負
端子422に電気的に接続される。コントローラ440の正入力446は、この
例では、コントローラ440を含むラッパ441のすぐ隣に位置する、電気化学
的セル430のカソード432に電気的に接続される。コントローラ440の負
入力448は、接触プレート431と、接触プレート431から電気化学的セル
430のアノード434内に延びる集電装置426とを介して、電気化学的セル
430のアノード434に電気的に接続される。絶縁性ワッシャ427は接触プ
レート431をカソード432から絶縁する。図5Cに示すように、集電装置4
26がアノード434から接触プレート431への接続を形成するので、絶縁性
ワッシャはアノード434と接触プレート431との間で延びることもできる。
コントローラ440が仮想グラウンドを使用する場合、絶縁性ワッシャ425な
どによって接触プレート431を底部プレート419および負端子422からも
絶縁しなければならない。別法として、側壁414の外側の周りに巻かれたラッ
パ441を容器412の外側に配設することもできる。このような実施形態では
、ラッパをラベルで覆うことができ、あるいはコントローラ自体と同じラッパ上
にラベルを印刷することができる。
In FIG. 5C, controller 440 is formed on wrapper 441 using thick film printing techniques or on a flexible printed circuit board (“PCB”),
It is arranged inside the container of the battery 410 between the side wall 414 and the cathode 432. The positive output 442 of the controller 440 is electrically connected to the positive terminal 420 of the battery 410 via the top cap 416 of the battery 410, and the negative output 4
44 is electrically connected to the negative terminal 422 of the battery 410 via the bottom plate 419 and the bottom cap 418. Positive input 446 of controller 440 is electrically connected to cathode 432 of electrochemical cell 430, which in this example is located immediately adjacent to wrapper 441 containing controller 440. Negative input 448 of controller 440 is electrically connected to anode 434 of electrochemical cell 430 via contact plate 431 and current collector 426 extending from contact plate 431 into anode 434 of electrochemical cell 430. Is done. Insulating washer 427 insulates contact plate 431 from cathode 432. As shown in FIG. 5C, the current collector 4
The insulating washer may also extend between the anode 434 and the contact plate 431, as 26 forms a connection from the anode 434 to the contact plate 431.
If the controller 440 uses a virtual ground, the contact plate 431 must also be insulated from the bottom plate 419 and the negative terminal 422, such as by an insulating washer 425. Alternatively, a wrapper 441 wound around the outside of the side wall 414 can be disposed outside the container 412. In such embodiments, the wrapper can be covered with a label, or the label can be printed on the same wrapper as the controller itself.

【0036】 図6は、各電気化学的セル630がセルの個々の容器612の内部にコントロ
ーラ640を有する本発明の多重セル9V電池610の部分断面斜視図である。
この実施形態では、電池610は、各セルの公称電圧が約1.5Vである6つの
個々の電気化学的セル630を含む。たとえば、電池610は、各セルの公称電
圧が約3Vである3つのリチウム・セルを含むこともできる。
FIG. 6 is a partial cross-sectional perspective view of a multi-cell 9V battery 610 of the present invention in which each electrochemical cell 630 has a controller 640 inside the individual container 612 of the cell.
In this embodiment, battery 610 includes six individual electrochemical cells 630 with a nominal voltage of about 1.5V in each cell. For example, battery 610 may include three lithium cells, with each cell having a nominal voltage of about 3V.

【0037】 図4、図4A、および図4Bは、本発明の電池110の様々な実施形態のブロ
ック図を示す。図4は、埋め込まれた集積コントローラ回路140を使用する本
発明の電池の一実施形態のブロック図を示す。この実施形態は好ましくは、デジ
タル構成要素とアナログ構成要素の両方を有する混合モード集積回路を使用する
。別法として、特定用途向け集積回路(「ASIC」)、混成チップ設計、PC
ボード、または当技術分野で知られている他の形態の回路製造技法を使用して、
コントローラ回路を製造することができる。コントローラ回路140は、電池容
器112内部の、電気化学的セル130の正電極132および負電極134と電
池の正端子120および負端子122との間に配置することができる。したがっ
て、コントローラ140は、電気化学的セル130を容器112の端子120お
よび122に接続するか、あるいは端子120および122から切断するか、電
池端子120および122に印可されるセル130の出力電圧または出力インピ
ーダンスを変更または安定化することができる。図4Aは、図4に示す本発明の
電池110の1つの好ましい実施形態を示す。図4Aでは、コントローラ140
は電気化学的セル130の正電極(カソード)132と電池容器112の正端子
120との間に接続される。電気化学的セル130の負電極(アノード)134
および電池容器112の負端子122は、コントローラ140と共通のグラウン
ドを共用する。しかし、図4Bは、コントローラ140が仮想グラウンドを使用
し、電気化学セル130の負電極134を容器112の負端子122から絶縁す
ると共に、電気化学的セル130の正電極132を容器112の正端子120か
ら絶縁する、本発明の電池110の好ましい代替実施形態を示す。
FIGS. 4, 4A, and 4B show block diagrams of various embodiments of the battery 110 of the present invention. FIG. 4 shows a block diagram of one embodiment of the battery of the present invention using an embedded integrated controller circuit 140. This embodiment preferably uses a mixed mode integrated circuit having both digital and analog components. Alternatively, application specific integrated circuits ("ASICs"), hybrid chip designs, PCs
Using a board, or other form of circuit manufacturing technique known in the art,
A controller circuit can be manufactured. The controller circuit 140 can be located inside the battery container 112 between the positive and negative electrodes 132 and 134 of the electrochemical cell 130 and the positive and negative terminals 120 and 122 of the battery. Accordingly, the controller 140 may connect the electrochemical cell 130 to or disconnect from the terminals 120 and 122 of the container 112, or output the voltage or output of the cell 130 applied to the battery terminals 120 and 122. The impedance can be changed or stabilized. FIG. 4A shows one preferred embodiment of the battery 110 of the present invention shown in FIG. In FIG. 4A, the controller 140
Is connected between the positive electrode (cathode) 132 of the electrochemical cell 130 and the positive terminal 120 of the battery container 112. Negative electrode (anode) 134 of electrochemical cell 130
And the negative terminal 122 of the battery case 112 shares a common ground with the controller 140. However, FIG. 4B illustrates that the controller 140 uses a virtual ground to insulate the negative electrode 134 of the electrochemical cell 130 from the negative terminal 122 of the container 112 and to connect the positive electrode 132 of the electrochemical cell 130 to the positive terminal of the container 112. 2 shows a preferred alternative embodiment of the battery 110 of the present invention, insulated from 120.

【0038】 図4Aおよび図4Bに示す各実施形態はそれ自体の利点および欠点を有する。
たとえば、図4Aの構成では、電気化学的セル130、コントローラ140、お
よび電池容器112の負端子122用の共通のグラウンドを有するより簡単な回
路設計が可能である。しかし、図4Aの構成は、コンバータが真の電気化学セル
電圧レベルの下で働く必要があるという欠点を有し、離散インダクタ要素を使用
する必要がある場合がある。図4Bの構成では、電池容器112の負端子122
に印可される仮想グラウンドによって、電気化学的セル130の負電極134が
負荷から絶縁されると共に、ほぼインダクタレスなDC/DCコンバータを使用
することができる。しかし、この構成は、セル電圧が電気化学的セルの公称電圧
レベルよりも低いときにコントローラ140の電圧が引き続きより効率的に動作
できるようにするために仮想グラウンドの回路複雑性を高くする必要があるとい
う欠点を有する。
The embodiments shown in FIGS. 4A and 4B have their own advantages and disadvantages.
For example, the configuration of FIG. 4A allows for a simpler circuit design having a common ground for the electrochemical cell 130, the controller 140, and the negative terminal 122 of the battery container 112. However, the configuration of FIG. 4A has the disadvantage that the converter needs to work below the true electrochemical cell voltage level, and may require the use of discrete inductor elements. 4B, the negative terminal 122 of the battery container 112
, The negative electrode 134 of the electrochemical cell 130 is isolated from the load and a nearly inductorless DC / DC converter can be used. However, this configuration requires increased circuit complexity of the virtual ground to allow the controller 140 voltage to continue to operate more efficiently when the cell voltage is below the nominal voltage level of the electrochemical cell. There is a disadvantage that there is.

【0039】 本発明の一次電池は、電池のサービス・ラン・タイムを延ばすコントローラを
含む。電気化学的セルは単一セル電池または多重セル電池にパッケージングする
ことができる。多重セル電池は、2つ以上の同じ種類の電気化学的セルを含むか
、あるいは2つ以上の異なる種類の電気化学的セルを混成電池内に含むことがで
きる。本発明の多重セル電池は、直列および/または並列に電気的に構成された
電気化学的セルを含むことができる。単一セル電池のコントローラは、セルの容
器の内部の電気化学的セルに直列かつ/または並列に電気的に接続し、少なくと
も部分的にセルの容器を含むハウジング内部にパッケージングするか、あるいは
容器、ハウジング、あるいは容器またはハウジングに取付けられたラベルまたは
他の構造に取り付けることができる。多重セル電池のコントローラは、単一セル
電池に関して説明したように1つまたは複数の個々のセルと共にパッケージング
し、かつ/またはコントローラが電気化学的セルの組合せに直列または並列に接
続されるように複数のセルの組合せと共にパッケージングすることができる。
The primary battery of the present invention includes a controller that extends the service run time of the battery. Electrochemical cells can be packaged in single cell batteries or multi-cell batteries. Multi-cell batteries can include two or more of the same type of electrochemical cells, or can include two or more different types of electrochemical cells in a hybrid battery. The multi-cell battery of the present invention can include electrochemical cells that are electrically configured in series and / or in parallel. The controller of the single cell battery is electrically connected in series and / or parallel to the electrochemical cell inside the cell container and is packaged at least partially inside a housing containing the cell container, or , The housing, or a label or other structure attached to the container or housing. The controller of the multi-cell battery may be packaged with one or more individual cells as described for the single-cell battery and / or such that the controller is connected in series or parallel to a combination of electrochemical cells. It can be packaged with a combination of multiple cells.

【0040】 このコントローラは、本発明の使い捨て電池のサービス・ラン・タイムをいく
つかの方法のうちの1つで延ばすことができる。第1に、このコントローラによ
って、電池の1つまたは複数の電気化学的セルを電子デバイスによって、他の場
合に可能なよりも深く放電させることができる。本出願では、「深い放電」の語
は、電気化学的セルをその定格容量の少なくとも80%まで放電させることを指
す。また、「実質的な放電」の語は、本出願では、電気化学的セルをその定格容
量の少なくとも70%まで放電させることを指す。「過放電」は、本出願では、
電気化学的セルを100%を超える程度に放電させ、電圧を反転させることを指
す。たとえば、現在市販されている典型的なアルカリ電池は一般に、電気化学的
セルの電圧レベルが典型的な電子デバイスを駆動するには不十分な電圧レベルに
降下する前に、蓄積エネルギー容量の約40%ないし70%を供給することがで
きる。したがって、本発明のコントローラは好ましくは、電池が電力供給を停止
する前に約70%を超える放電を行うことのできるアルカリ・セルを形成する。
より好ましくは、コントローラは約80%を超える放電レベルを与える。さらに
より好ましくは、コントローラは約90%を超える放電レベルを与え、約95%
を超えることが最も好ましい。
The controller can extend the service run time of the disposable battery of the present invention in one of several ways. First, the controller allows one or more electrochemical cells of the battery to be discharged by the electronic device deeper than would otherwise be possible. In the present application, the term "deep discharge" refers to discharging an electrochemical cell to at least 80% of its rated capacity. Also, the term "substantial discharge" in this application refers to discharging an electrochemical cell to at least 70% of its rated capacity. "Overdischarge" is defined as
It refers to discharging the electrochemical cell to more than 100% and inverting the voltage. For example, the typical alkaline batteries currently on the market generally have about 40% of the stored energy capacity before the voltage level of the electrochemical cell drops to a voltage level insufficient to drive a typical electronic device. % To 70%. Thus, the controller of the present invention preferably forms an alkaline cell that can discharge more than about 70% before the battery shuts down.
More preferably, the controller provides a discharge level of greater than about 80%. Even more preferably, the controller provides a discharge level greater than about 90%, and
Most preferably, it exceeds.

【0041】 コントローラは、セル電圧を電池の所望の出力電圧に変換して、電気化学的セ
ルのより深い放電を可能にし、それによって電池のサービス・ラン・タイムを延
ばすコンバータを含むことができる。本発明の一実施形態では、コントローラは
電池のサービス・ラン・タイムにわたってセル電圧を連続的に所望の出力電圧に
変換することができる。セル電圧が、通常は電池の放電が停止するデバイス・カ
ットオフ電圧のレベルに降下すると、コントローラは、コントローラを駆動する
のに必要な最低限の電圧よりも低い電圧に電圧レベルが降下するまで、セル電圧
を、電池の出力において、電子デバイスを引き続き駆動するのに十分なレベルに
高めるか、あるいは段階的に高める。したがって、他の電池のコントローラより
も低い電圧レベルで動作することのできるコントローラ設計を有する電池は、よ
り深く放電させることのできる電池を形成する。
The controller can include a converter that converts the cell voltage to the desired output voltage of the battery, allowing for a deeper discharge of the electrochemical cell, thereby extending the service run time of the battery. In one embodiment of the present invention, the controller can continuously convert the cell voltage to the desired output voltage over the service run time of the battery. When the cell voltage drops to the level of the device cut-off voltage, which normally stops the battery from discharging, the controller causes the voltage level to drop below the minimum voltage required to drive the controller. The cell voltage is increased, or stepwise, at the output of the battery to a level sufficient to continue driving the electronic device. Thus, batteries having a controller design that can operate at lower voltage levels than other battery controllers form batteries that can be discharged deeper.

【0042】 本発明の好ましい実施形態では、コンバータは、セル電圧が所定の電圧レベル
以下に降下したときにのみ動作する。このような実施形態では、コンバータが必
要なときにのみ動作するので、コンバータの内部損失が最小限に抑えられる。所
定の電圧レベルは好ましくは、電気化学的セルの公称電圧から、電池が動作する
ことになっているデバイスのクラスの最高カットオフ電圧までの範囲である。よ
り好ましくは、所定の電圧レベルは、電池が動作することになっているデバイス
のクラスの最高カットオフ電圧よりもわずかに高い。たとえば、所定の電圧レベ
ルは、電池が動作することになっているデバイスのクラスのほぼ最高カットオフ
電圧から、このカットオフ電圧に約0.2Vを加えた値までの範囲であり、好ま
しくは、電池が動作することになっているデバイスのクラスのほぼ最高カットオ
フ電圧から、このカットオフ電圧に約0.15Vを加えた値までの範囲であり、
より好ましくは、電池が動作することになっているデバイスのクラスのほぼ最高
カットオフ電圧から、このカットオフ電圧に約0.1Vを加えた値までの範囲で
あり、さらに好ましくは、電池が動作することになっているデバイスのクラスの
ほぼ最高カットオフ電圧から、このカットオフ電圧に約0.05Vを加えた値ま
での範囲である。たとえば、公称電圧が約1.5Vである電気化学的セルの所定
の電圧は一般に、約0.8Vないし約1.8Vの範囲である。好ましくは、所定
の電圧は約0.9Vないし約1.6Vの範囲である。より好ましくは、所定の電
圧は約0.9Vないし約1.5Vの範囲である。さらにより好ましくは、所定の
電圧は約0.9Vないし約1.2Vの範囲であり、約1.0Vないし約1.2V
の範囲であることがさらに好ましい。電池が動作することになっているデバイス
のクラスの最高カットオフ電圧よりもわずかに高いか、あるいはこのカットオフ
電圧に等しい電圧レベルが最も好ましい。しかし、公称電圧が約3.0Vである
電気化学的セルと共に動作するように設計されたコントローラの所定の電圧レベ
ルは一般に、約2.0Vないし約3.4Vの範囲であってよい。好ましくは、所
定の電圧は約2.2Vないし約3.2Vの範囲である。より好ましくは、所定の
電圧は約2.4Vないし約3.2Vの範囲である。さらにより好ましくは、所定
の電圧は約2.6Vないし約3.2Vの範囲 であり、約2.8Vないし約3.0Vの範囲がさらに好ましい。電池が動作する
ことになっているデバイスのクラスの最高カットオフ電圧よりもわずかに高いか
、あるいはこのカットオフ電圧に等しい電圧レベルが最も好ましい。
In a preferred embodiment of the present invention, the converter operates only when the cell voltage drops below a predetermined voltage level. In such an embodiment, the converter operates only when needed, thus minimizing internal losses in the converter. The predetermined voltage level preferably ranges from the nominal voltage of the electrochemical cell to the highest cutoff voltage of the class of device for which the battery is to operate. More preferably, the predetermined voltage level is slightly higher than the highest cutoff voltage of the class of device for which the battery is to operate. For example, the predetermined voltage level ranges from approximately the highest cut-off voltage of the class of device for which the battery is to operate, to this cut-off voltage plus about 0.2 V, preferably Ranging from approximately the highest cut-off voltage of the class of device in which the battery is to operate to this cut-off voltage plus approximately 0.15V;
More preferably, it ranges from about the highest cut-off voltage of the class of device in which the battery is to operate to about 0.1 V to this cut-off voltage, and even more preferably the battery operates. From about the highest cut-off voltage of the class of device to be implemented to this cut-off voltage plus about 0.05V. For example, a predetermined voltage for an electrochemical cell having a nominal voltage of about 1.5V generally ranges from about 0.8V to about 1.8V. Preferably, the predetermined voltage is in a range from about 0.9V to about 1.6V. More preferably, the predetermined voltage ranges from about 0.9V to about 1.5V. Even more preferably, the predetermined voltage ranges from about 0.9V to about 1.2V, and from about 1.0V to about 1.2V.
Is more preferably within the range. A voltage level slightly higher than or equal to the highest cutoff voltage of the class of device for which the battery is to operate is most preferred. However, the predetermined voltage level of a controller designed to operate with an electrochemical cell having a nominal voltage of about 3.0V may generally range from about 2.0V to about 3.4V. Preferably, the predetermined voltage is in a range from about 2.2V to about 3.2V. More preferably, the predetermined voltage ranges from about 2.4V to about 3.2V. Even more preferably, the predetermined voltage is in the range of about 2.6V to about 3.2V, and even more preferably in the range of about 2.8V to about 3.0V. A voltage level slightly higher than or equal to the highest cutoff voltage of the class of device for which the battery is to operate is most preferred.

【0043】 セル電圧が所定の電圧レベル以下に降下すると、コントローラはコンバータを
オンにし、セル電圧を、負荷を駆動するのに十分な所望の出力電圧に高める。こ
れにより、セル電圧が負荷を駆動できるほど高いときには必要とされないコンバ
ータの内部損失がなくなるが、電気化学的セルは、セル電圧が負荷を駆動するの
に必要なレベルよりも低いレベルに降下した後でも引き続き放電することができ
る。コントローラは、セル電圧が所定の電圧レベルに降下したときにコンバータ
をオンにする、電圧比較器と電子スイッチの簡単な組合せから、後述の方式など
より複雑な制御方式までの、いくつかの制御機構のうちの1つまたは複数を使用
することができる。
When the cell voltage drops below a predetermined voltage level, the controller turns on the converter and raises the cell voltage to a desired output voltage sufficient to drive a load. This eliminates converter internal losses that are not needed when the cell voltage is high enough to drive the load, but after the electrochemical cell has dropped to a level lower than the level needed to drive the load. However, discharge can be continued. The controller consists of several control mechanisms, from simple combinations of voltage comparators and electronic switches to more complex control schemes such as those described below, that turn on the converter when the cell voltage drops to a predetermined voltage level. One or more of the following may be used.

【0044】 所与の出力電圧用に設計された本発明の汎用電池は好ましくは、デバイスに電
力を供給するために使用されたときに電池のサービス・ラン・タイムを延ばすこ
とができる。本出願では、「汎用」電池とは、セルの電気化学的性質とは独立に
一様な出力電圧を供給できる電池である。したがって、本発明の電池は、電気化
学的セルの電圧が内蔵コントローラがもはや動作できなくなるレベルに降下して
コントローラが停止するまで、電池の出力電圧を、このクラスの電子デバイスの
最高カットオフ電圧よりも高いか、あるいはこのカットオフ電圧に等しいレベル
に維持することによってサービス・ラン・タイムを延ばすように設計されること
が好ましい。特定の電子デバイス、または同様なカットオフ電圧を有するより狭
いクラスの電子デバイスに電力を供給するように設計された本発明の電池は、所
定の電圧レベルをこのようなデバイスのカットオフ電圧により密に一致させるこ
とによってより効率的に動作するように特定的に設計することができる。
The universal battery of the present invention designed for a given output voltage preferably can extend the service run time of the battery when used to power a device. In this application, a "universal" battery is a battery that can provide a uniform output voltage independent of the electrochemical properties of the cell. Thus, the battery of the present invention raises the output voltage of the battery from the highest cut-off voltage of this class of electronic devices until the voltage of the electrochemical cell drops to a level at which the integrated controller can no longer operate and the controller shuts down. Preferably, it is designed to extend the service run time by maintaining a high or equal level to this cutoff voltage. A battery of the present invention designed to power a particular electronic device, or a narrower class of electronic devices having a similar cut-off voltage, will bring a given voltage level closer to the cut-off voltage of such a device. Can be specifically designed to operate more efficiently.

【0045】 第2に、コントローラは、所望の出力電圧よりも高い公称電圧を有する電気化
学的セルのセル電圧を段階的に降下させ、かつ/または電池の電気化学的セルの
出力インピーダンスを変更することもできる。これによって、電池のサービス・
ラン・タイムが延びるだけでなく、様々な公称電圧を有する電気化学的セルの間
で、他の場合に可能なよりも高い相互交換性が得られ、設計者は、より高い公称
電圧を有する電気化学的セルのより高い蓄積電位を利用することができ、ある電
気化学的セルの出力インピーダンスを所望のレベルに一致するように変更して、
この電気化学的セルの他の種類の電気化学的セルとの相互交換性を高め、かつ/
または特定の種類の負荷に対するこの電気化学的セルの効率を高めることができ
る。また、たとえば、水銀カドミウム・セルのように非効率的で、環境に対して
危険で、高価であり、一般に、特定の公称電圧が必要であるためにのみ使用され
る電気化学的セルは、その応用分野で必要とされる必要な公称電圧または出力イ
ンピーダンスを満たすように公称電圧が段階的に上昇または低下されるか、ある
いはそのように出力インピーダンスが変更される、より安全であるか、より効率
的であるか、あるいはより廉価な電気化学的セルで置き換えることができる。
Second, the controller steps down the cell voltage of the electrochemical cell having a nominal voltage higher than the desired output voltage and / or changes the output impedance of the electrochemical cell of the battery. You can also. As a result, battery service
Not only is the run time extended, but also greater interoperability is possible between electrochemical cells with different nominal voltages than would otherwise be possible, allowing designers to use electrical cells with higher nominal voltages. The higher storage potential of the chemical cell can be utilized, and the output impedance of one electrochemical cell can be changed to match the desired level,
Enhance the interchangeability of this electrochemical cell with other types of electrochemical cells, and / or
Or the efficiency of the electrochemical cell for a particular type of load can be increased. Also, electrochemical cells that are inefficient, environmentally hazardous, expensive, such as mercury cadmium cells, and are generally used only because a specific nominal voltage is required, The nominal voltage is stepped up or down to meet the required nominal voltage or output impedance required in the application, or the output impedance is changed so that it is safer or more efficient Or a less expensive electrochemical cell.

【0046】 たとえば、公称電圧が約1.8V以上である電気化学的セルを、このより高い
公称電圧を約1.5Vの標準公称レベルに段階的に低下させるコントローラと共
にパッケージングし、この電池を公称電圧が約1.5Vである電池と相互交換可
能に使用することができる。1つの特定の例では、公称電圧が約3.0Vである
リチウムMnO2などの標準リチウム・セルをステップ・ダウン・コントローラ
と共にパッケージングし、このセルおよびコントローラを有する電池の公称電圧
が約1.5Vになるようにすることができる。これにより、公称電圧が約1.5
Vであり容積が同じである電気化学的セルを有する電池よりも少なくとも2倍大
きな容量を有する電池が形成される。また、セルの化学エネルギー蓄積を減少さ
せるリチウム・セルの化学的性質を化学的に変更する必要なしに標準的なアルカ
リ単一セル電池または亜鉛炭素単一セル電池と真に相互交換可能なリチウム・セ
ルも形成される。また、マグネシウム、マグネシウム空気、アルミニウム空気な
どの電気化学的セルを有する電池は、公称電圧が約1.8Vであり、公称電圧が
約1.5Vである標準電池と相互交換可能に使用することができる。様々な種類
の電気化学的セルを相互交換可能に使用できるだけでなく、様々な種類の電気化
学的セルをまとめて混成電池としてパッケージングすることもできる。したがっ
て、様々な公称電圧または内部インピーダンスを有する様々な電気化学的セルを
有する様々な種類の電気化学的セルを相互交換可能に使用することも、あるいは
様々な種類の電気化学的セルを有する混成電池を製造することもできる。
For example, an electrochemical cell having a nominal voltage of about 1.8 V or higher is packaged with a controller that steps down this higher nominal voltage to a standard nominal level of about 1.5 V, and the battery is It can be used interchangeably with batteries having a nominal voltage of about 1.5V. In one particular example, a standard lithium cell, such as lithium MnO2, having a nominal voltage of about 3.0V, is packaged with a step-down controller, and the battery having the cell and controller has a nominal voltage of about 1.5V. Can be This results in a nominal voltage of about 1.5
A battery is formed having a capacity at least twice as large as a battery having electrochemical cells of V and the same volume. Also, lithium batteries that are truly interchangeable with standard alkaline single cell batteries or zinc carbon single cell batteries without the need to chemically alter the lithium cell chemistry to reduce the cell's chemical energy storage. Cells are also formed. Batteries having electrochemical cells such as magnesium, magnesium air, and aluminum air have a nominal voltage of about 1.8 V and can be used interchangeably with standard batteries having a nominal voltage of about 1.5 V. it can. Not only can various types of electrochemical cells be used interchangeably, but various types of electrochemical cells can be packaged together as a hybrid battery. Therefore, different types of electrochemical cells having different electrochemical cells with different nominal voltages or internal impedances may be used interchangeably, or hybrid batteries having different types of electrochemical cells. Can also be manufactured.

【0047】 別法として、所与の電子デバイスが動作できなくなる公称電圧を有する電気化
学的セルを、内蔵ステップ・アップ・コンバータを有するコントローラと共に使
用して、公称電圧を高めることができる。これにより、この種の電気化学的セル
を有する電池を、セルが他の場合に供給するよりも高い電圧レベルを必要とする
デバイスと共に使用することができる。また、この種の電気化学的セルを有する
電池を標準アルカリ電気化学的セルまたは亜鉛炭素電気化学的セルと相互交換可
能に使用することもできる。これにより、他の場合には公称電圧が低過ぎて実用
的でないために消費者使い捨て用電気化学的セルとみなされない電気化学的セル
を有する商業的に実施可能で使用可能な電池を形成することができる。
Alternatively, an electrochemical cell having a nominal voltage that renders a given electronic device inoperable can be used with a controller having a built-in step-up converter to increase the nominal voltage. This allows batteries with such electrochemical cells to be used with devices that require higher voltage levels than the cells would otherwise supply. A battery having such an electrochemical cell can also be used interchangeably with a standard alkaline electrochemical cell or a zinc carbon electrochemical cell. This forms a commercially viable and usable battery having electrochemical cells that would otherwise not be considered consumer disposable electrochemical cells because the nominal voltage is too low to be practical. Can be.

【0048】 本発明で使用できる電池タイプの例として、亜鉛炭素電池、アルカリ電池、お
よびリチウム電池について論じる。表1に示す一次電池などであるがこれに限ら
ない他の種類の電池を本発明の一次電池で使用することもできる。二次電気化学
的セルを混成電池において一次電気化学的セルと組み合わせて使用することもで
きる。実際、本発明では、様々な種類の電気化学的セルの間に従来よりも高い相
互交換性が可能になると共に、電気化学的セルと燃料セルなどの代替電源との間
に従来よりも高い相互交換性が可能になる。各電気化学的セルにコントローラを
配置することにより、相互交換可能な標準寸法の電池を作製する際により多くの
種類のセルを使用できるように様々な種類の電気化学的セルの公称電圧や出力イ
ンピーダンスなどの電気特性を調整することができる。特に、電気化学的セルの
特定の利点を利用し、しかも他の種類のセルを使用する電池との相互交換を可能
にするように電池を設計することができる。さらに、本発明を使用して、電気化
学的セルの公称電圧を各標準の電圧レベルに変換することによって新しい標準電
圧レベルを生成することができる。
As examples of battery types that can be used in the present invention, a zinc carbon battery, an alkaline battery, and a lithium battery will be discussed. Other types of batteries, such as, but not limited to, the primary batteries shown in Table 1, can also be used in the primary battery of the present invention. Secondary electrochemical cells can also be used in hybrid batteries in combination with primary electrochemical cells. Indeed, the present invention allows for greater interoperability between various types of electrochemical cells and higher interoperability between the electrochemical cells and alternative power sources such as fuel cells. Exchangeability becomes possible. By placing a controller in each electrochemical cell, the nominal voltage and output impedance of various types of electrochemical cells can be used so that more types of cells can be used in producing interchangeable standard size batteries. And other electrical characteristics can be adjusted. In particular, batteries can be designed to take advantage of the particular advantages of electrochemical cells, while still allowing interchange with batteries using other types of cells. In addition, the present invention can be used to create new standard voltage levels by converting the nominal voltage of the electrochemical cell to each standard voltage level.

【0049】[0049]

【表1】 [Table 1]

【0050】 また、特に特定の種類の応用分野向けに設計された混成電池において、他の場
合には互いに適合しない電気化学的セルを使用することができる。たとえば、亜
鉛空気電気化学的セルを混成電池においてリチウム・セルと並列または直列に使
用することができる。亜鉛空気セルは、公称電圧が約1.5Vであり、非常に高
いエネルギー密度を有するが、低い定常電流レベルしか供給できない。しかし、
リチウム・セルは公称電圧レベルが約3.0Vであり、高電流レベルの短いバー
ストを供給することができる。各電気化学的セルのコントローラは、同じ公称出
力電圧を供給し、並列電気構成または直列電気構成での配置を可能にする。セル
が並列構成であるとき、コントローラはセル同士が互いに充電することも妨げる
。各セルごとのコントローラを使用して、負荷の必要に応じてどちらかのセルま
たは両方のセルを接続または切断することができる。したがって、負荷が低電力
モードであるときは、亜鉛空気セルを定常低電流を供給するように接続すること
ができ、負荷が高電力モードであるときは、リチウム・セルにより、あるいはリ
チウム・セルと亜鉛空気セルを組み合わせることによって、負荷に電力を供給す
るのに必要な電流を供給することができる。
It is also possible to use electrochemical cells that are otherwise incompatible with each other, especially in hybrid batteries designed for certain types of applications. For example, a zinc air electrochemical cell can be used in a hybrid battery in parallel or in series with a lithium cell. Zinc air cells have a nominal voltage of about 1.5 V and have a very high energy density, but can only supply low steady state current levels. But,
Lithium cells have a nominal voltage level of about 3.0 V and can supply short bursts of high current levels. The controller of each electrochemical cell supplies the same nominal output voltage, allowing for placement in a parallel or series electrical configuration. When the cells are in a parallel configuration, the controller also prevents the cells from charging each other. A controller for each cell can be used to connect or disconnect either cell or both cells as required by the load. Thus, when the load is in the low power mode, the zinc air cell can be connected to supply a steady low current, and when the load is in the high power mode, by or with the lithium cell. The combination of zinc air cells can provide the current needed to power the load.

【0051】 混成電池は、アルカリ・セルおよび金属空気セル、金属空気セルおよび二次セ
ル、金属空気セルおよびスーパー・キャパシタなど多数の様々な種類の電気化学
的セルを含むこともできる。さらに、混成電池は、一次セルと二次セルの組合せ
、一次セルと予備セルの組合せ、二次セルと予備セルの組合せ、または一次セル
と二次セルと予備セルの組合せを含むこともできる。混成電池は、1つまたは複
数の電気化学的セルと、燃料セル、従来型のキャパシタ、場合によってはスーパ
ー・キャパシタなど1つまたは複数の代替電源などの組合せを含むこともできる
。さらに、混成電池は、2つ以上の前述のセルまたは電源の任意の組合せを含む
ことができる。
Hybrid batteries can also include many different types of electrochemical cells such as alkaline and metal-air cells, metal-air and secondary cells, metal-air cells and supercapacitors. Further, the hybrid battery may include a combination of primary and secondary cells, a combination of primary and spare cells, a combination of secondary and spare cells, or a combination of primary, secondary and spare cells. A hybrid battery can also include a combination of one or more electrochemical cells and one or more alternative power sources, such as fuel cells, conventional capacitors, and in some cases, supercapacitors. Further, a hybrid battery can include any combination of two or more of the foregoing cells or power sources.

【0052】 さらに、コントローラは、電気化学的セル構成要素の動作に悪影響を与えセル
電圧を低下させることができる電流ピークから電気化学的セルを保護することに
よって電池のラン・タイムを延ばすこともできる。たとえば、コントローラは、
高電流需要のためにセル内でメモリ効果が生じ電池のラン・タイムが短くなるこ
とを防止することができる。電流ピークは、アルカリ・セル、リチウム・セル、
亜鉛空気セルなど電気化学的セルにも悪影響を与える。
In addition, the controller can extend battery run time by protecting the electrochemical cell from current peaks that can adversely affect the operation of the electrochemical cell components and reduce cell voltage. . For example, the controller
It is possible to prevent the memory effect from occurring in the cell due to the high current demand and shortening the run time of the battery. The current peaks are in alkaline cells, lithium cells,
It also adversely affects electrochemical cells such as zinc air cells.

【0053】 電気化学的セルを電流ピークから保護するコントローラは、その出力に電荷を
一時的に蓄積することができ、したがって、即時需要に応じてこの一時的蓄積を
使用することができる。したがって、電流ピーク需要は電気化学的セルに達する
前に完全になくすか、あるいは著しく低減させることができる。これによって、
電池は、電気化学的セルが直接供給できるよりも高い電流ピークを生成すること
ができ、電気化学的セルは、セル構成要素に悪影響を与えることのある電流ピー
クから保護される。一時的蓄積要素は好ましくはキャパシタである。このキャパ
シタは、従来型のキャパシタ、厚膜プリント・キャパシタ、場合によっては「ス
ーパー・キャパシタ」など当技術分野で知られている任意の種類のキャパシタで
よい。たとえば、図13は、容器1312の出力端子1320と出力端子132
2との間に接続されたキャパシタCfを示す。
A controller that protects the electrochemical cell from current peaks can temporarily store charge at its output, and can therefore use this temporary storage on demand. Thus, the peak current demand can be completely eliminated or significantly reduced before reaching the electrochemical cell. by this,
Batteries can produce higher current peaks than an electrochemical cell can supply directly, and the electrochemical cell is protected from current peaks that can adversely affect cell components. The temporary storage element is preferably a capacitor. This capacitor may be any type of capacitor known in the art, such as a conventional capacitor, a thick film printed capacitor, and in some cases a "super capacitor". For example, FIG. 13 shows the output terminal 1320 and the output terminal 132 of the container 1312.
2 shows a capacitor Cf connected between the first and second capacitors.

【0054】 単一のコントローラは好ましくは、セルを電流ピークから保護すると共に、セ
ル電圧を所望の出力電圧に変換することによって、電池のサービス・ラン・タイ
ムを延ばす。たとえば、コントローラの好ましい実施形態は、セル電圧が所定の
電圧に降下したときにコンバータをオンにし、コンバータに関連する損失を最小
限に抑えることができる。このコントローラは、セル電圧と出力負荷電流の両方
を監視し、セル電圧が所定の電圧レベルに達するか、あるいは負荷電流が所定の
電流レベルに達した場合にコンバータをオンにすることができる。別法として、
コントローラは、セル電圧と出力負荷電流の両方を監視し、必要な負荷電流を供
給することによってセル電圧がカットオフ電圧レベルよりも低い電圧に降下する
かどうかを判定することができる。後者の例では、コントローラは、アルゴリズ
ムにおいて組み合わされた2つの入力信号に作用し、コンバータをオンにすべき
であるかどうかを判定する。しかし、前者の例では、コントローラは、セル電圧
が所定の電圧レベルに降下するか、あるいは出力負荷電流が所定の電流レベルに
上昇した場合にコンバータをオンにする。これらについて、他の可能な制御方式
と共に、以下に詳しく論じる。
A single controller preferably extends the service run time of the battery by protecting the cell from current peaks and converting the cell voltage to the desired output voltage. For example, a preferred embodiment of the controller can turn on the converter when the cell voltage drops to a predetermined voltage and minimize losses associated with the converter. The controller monitors both the cell voltage and the output load current and can turn on the converter when the cell voltage reaches a predetermined voltage level or when the load current reaches a predetermined current level. Alternatively,
The controller can monitor both the cell voltage and the output load current and determine if supplying the required load current will cause the cell voltage to drop below the cutoff voltage level. In the latter example, the controller operates on the two input signals combined in the algorithm to determine whether the converter should be turned on. However, in the former example, the controller turns on the converter when the cell voltage drops to a predetermined voltage level or when the output load current rises to a predetermined current level. These are discussed in detail below, along with other possible control schemes.

【0055】 本発明は、特殊一次電池と、AAA単一セル電池、AA単一セル電池、C単一
セル電池、またはD単一セル電池や、9V多重セル電池など標準消費者一次電池
とに関する発明である。本発明は、様々な応用分野で使用できる特殊一次電池お
よび混成電池の使用を企図している。現在、必要な電流定格を十分な期間にわた
って供給する一次電池の能力によって制限されている、携帯電話、ラップトップ
・コンピュータなどに使用される再充電可能な電池を、これらの特殊一次電池お
よび混成電池を使用して置き換えることができることが予想される。また、セル
の出力電圧および出力インピーダンスを個々に制御できることによって、電池設
計者は、様々な種類のセルの組合せ、または燃料セルや、従来型のキャパシタや
、場合によっては「スーパー・キャパシタ」などの代替電源を同じ混成電池内で
使用する全く新しい種類の混成電池を設計することができる。相互交換可能な種
類の電気化学的セルが増加すると、電池設計者は標準電池を供給し、携帯電話、
ラップトップ・コンピュータ、カムコーダ、カメラなど特定の装置向けにカスタ
ム設計された電池への依存性を低減させることができる。消費者は、現在閃光灯
またはテープレコーダ用の電池を購入しているのと全く同じように、特に特定の
種類、ブランド、および/またはモデルの電子デバイス向けに製造された電池を
購入する必要なしに、携帯電話に電力を供給する標準電池を簡単に購入すること
ができる。また、製造される標準電池の数が増加するにつれて、ユニット当たり
コストが急速に低下し、特殊設計された再充電可能な電池に最終的に置き換わる
ことのできるずっと手頃な電池が得られる。
The present invention relates to special primary batteries and standard consumer primary batteries such as AAA single cell batteries, AA single cell batteries, C single cell batteries, or D single cell batteries, and 9V multi-cell batteries. It is an invention. The present invention contemplates the use of special primary and hybrid batteries that can be used in various applications. Rechargeable batteries used in cell phones, laptop computers, etc., which are currently limited by the ability of the primary battery to supply the required current rating over a sufficient period of time, these special primary and hybrid batteries It is expected that can be replaced using In addition, the ability to individually control the output voltage and output impedance of the cells allows battery designers to combine various types of cells, or fuel cells, conventional capacitors, and sometimes "supercapacitors". A completely new type of hybrid battery can be designed that uses an alternative power supply in the same hybrid battery. As the number of interchangeable types of electrochemical cells increases, battery designers supply standard batteries, cell phones,
It can reduce reliance on custom designed batteries for specific devices such as laptop computers, camcorders and cameras. Consumers can buy batteries specifically manufactured for a particular type, brand, and / or model of electronic device, just as they currently purchase batteries for flashlights or tape recorders. In addition, a standard battery for supplying power to a mobile phone can be easily purchased. Also, as the number of standard batteries manufactured increases, the cost per unit drops rapidly, resulting in much more affordable batteries that can eventually be replaced by specially designed rechargeable batteries.

【0056】 写真フィルムなどに使用されているような電子ラベリング技法を使用して、電
池内のセルの種類、セルの定格および/または残りの容量、ピーク電流供給機能
および最適電流供給機能、電荷レベル、内部インピーダンスなどを正確に指定す
ることができ、それによって、「スマート」デバイスは、電子ラベリングを読み
取って電池の消費量を最適化し、たとえば、デバイスの性能を高め、電池のサー
ビス・ラン・タイムを延ばすことができる。カメラは、すでに電子ラベリングを
使用してフィルム・スピードなどを判定しているが、たとえば、電池についも電
子ラベリング技法を使用してフラッシュの充電時間を長くし、あるいはフラッシ
ュの使用を停止させて、特定の電池のサービス・ラン・タイムを最適化すること
ができる。ラップトップも電子ラベリング技法を使用して、たとえば、ユーザが
必要とする持続時間の間電池内の残りの電荷を最適に使用するように動作速度を
変更するか、あるいはパワー・オン/パワー・オフ技法を使用して電池のエネル
ギーを節約することによって、特定の電池の最も効率的な動作パラメータを決定
することもできる。また、カムコーダ、携帯電話なども電子ラベリングを使用し
て電池の使用を最適化することができる。
Using electronic labeling techniques, such as those used in photographic film, etc., the type of cell in the battery, the rating and / or remaining capacity of the cell, the peak and optimal current supply capabilities, the charge level , Internal impedance, etc., so that "smart" devices can read electronic labeling to optimize battery consumption, e.g., enhance device performance, battery service run time Can be extended. Cameras have already used electronic labeling to determine film speed and so on.For example, batteries can also use electronic labeling techniques to increase flash charging time or stop using flash, The service run time of a particular battery can be optimized. Laptops also use electronic labeling techniques, for example, changing the operating speed to optimally use the remaining charge in the battery for the duration required by the user, or powering on / off By using techniques to conserve battery energy, the most efficient operating parameters of a particular battery can also be determined. Also, camcorders, mobile phones, and the like can use electronic labeling to optimize battery usage.

【0057】 さらに、消費者のニーズに応じて、一次電池を様々な種類の一次電池または場
合によっては再充電可能な電池と相互交換可能に使用することもできる。たとえ
ば、ラップトップ・コンピュータの再充電可能な電池が枯渇した場合、ユーザは
、再充電可能な電池を充電するまで数時間の間使用することのできる一次電池を
購入することができる。ユーザはたとえば、より高価な電池を有するデバイスに
よって与えることができるある高性能レベルを必要としない場合により廉価な電
池を購入することもできる。
Furthermore, depending on the needs of the consumer, the primary batteries can be used interchangeably with various types of primary batteries or possibly rechargeable batteries. For example, if the laptop computer's rechargeable battery is depleted, the user can purchase a primary battery that can be used for several hours before charging the rechargeable battery. A user may, for example, purchase a less expensive battery if one does not need certain high performance levels that can be provided by devices with more expensive batteries.

【0058】 本発明は、AAA単一セル電池、AA単一セル電池、C単一セル電池、または
D単一セル電池や、9V多重セル電池など標準消費者一次電池に関する発明でも
ある。好ましい実施形態では、たとえば、シリコンカーバイド(「SiC」)実
施形態では約0.1V程度、ひ化ガリウム(「GaAs」)実施形態では約0.
34V程度、および従来型のシリコン・ベース実施形態では約0.54V程度の
電圧レベルで動作できるように、公称電圧が約1.5Vである電池を用いて動作
するようにコントローラを設計することができる。また、プリント寸法が小さく
なるにつれて、これらの最小動作電圧も低下する。たとえば、シリコンでは、回
路プリントを0.18ミクロン技法に低下させると、最小動作電圧が約0.54
Vから約0.4Vに低下する。前述のように、コントローラの最低限動作電圧が
低ければ低いほど、このコントローラは、電気化学的セルをできるだけ深く放電
させるようにセル電圧を低い値に調整することができる。したがって、従来の様
々な回路内製造技法を使用して電池利用度を電気化学的セルの蓄積電荷の約10
0%まで高めることは本発明の範囲内である。しかし、本発明のシリコン・ベー
ス実施形態は、電池蓄積電位の利用度を95%まで高め、これはコントローラな
しの平均利用度40%ないし70%と比べて極めて高い。
The present invention is also directed to standard consumer primary batteries such as AAA single cell batteries, AAA single cell batteries, C single cell batteries, D single cell batteries, and 9V multi-cell batteries. In a preferred embodiment, for example, on the order of about 0.1 V for a silicon carbide (“SiC”) embodiment, and about 0.1 V for a gallium arsenide (“GaAs”) embodiment.
The controller can be designed to operate with a battery having a nominal voltage of about 1.5V, such that it can operate at a voltage level of about 34V, and in the conventional silicon-based embodiment, about 0.54V. it can. Also, as print dimensions decrease, these minimum operating voltages also decrease. For example, in silicon, reducing the circuit print to 0.18 micron technology reduces the minimum operating voltage to about 0.54
V to about 0.4V. As mentioned above, the lower the minimum operating voltage of the controller, the lower the controller can adjust the cell voltage to discharge the electrochemical cell as deeply as possible. Thus, using a variety of conventional in-circuit manufacturing techniques, battery utilization can be reduced to about 10% of the stored charge of an electrochemical cell.
Increasing to 0% is within the scope of the present invention. However, the silicon-based embodiment of the present invention increases the utilization of the battery storage potential to 95%, which is much higher than the average utilization without a controller of 40% to 70%.

【0059】 たとえば、シリコン・ベースの好ましい一実施形態では、コントローラは約1
V程度、より好ましくは約0.85V、さらにより好ましくは約0.8V、さら
により好ましくは約0.75V、さらにより好ましくは約0.7V、さらにより
好ましくは約0.65V、さらにより好ましくは約0.6V、最も好ましくは約
0.54Vの電圧で動作するように設計される。公称電圧が約1.5Vである電
気化学的セル向けに設計されたコントローラは好ましくは、少なくとも約1.6
V程度の入力電圧で動作することができる。より好ましくは、コントローラは少
なくとも約1.8V程度の入力電圧で動作することができる。したがって、好ま
しいコントローラは、最低で約0.8Vから少なくとも1.6Vの範囲の電圧で
動作できるべきである。しかし、コントローラはこの範囲外で動作することがで
き、またそうすることが好ましい。
For example, in one preferred silicon-based embodiment, the controller has about 1
About V, more preferably about 0.85V, even more preferably about 0.8V, even more preferably about 0.75V, even more preferably about 0.7V, even more preferably about 0.65V, even more preferably Is designed to operate at a voltage of about 0.6V, most preferably about 0.54V. Controllers designed for electrochemical cells with a nominal voltage of about 1.5V are preferably at least about 1.6
It can operate with an input voltage of about V. More preferably, the controller is capable of operating with an input voltage of at least about 1.8V. Therefore, a preferred controller should be able to operate at voltages as low as about 0.8V to at least 1.6V. However, the controller can, and preferably does, operate outside this range.

【0060】 しかし、公称電圧が約3.0Vである電気化学的セルと共に使用できるように
設計された本発明のコントローラの好ましい実施形態では、コントローラは、公
称電圧が約1.5Vである電気化学的セルと共に使用されるコントローラに必要
な電圧レベルよりも高い電圧レベルで動作できなければならない。公称電圧が約
3.0Vである電気化学的セルの場合、コントローラは好ましくは、約2.4V
から約3.2Vの範囲で動作することができる。コントローラはより好ましくは
、約0.8Vから少なくとも約3.2Vの範囲で動作することができる。より好
ましくは、コントローラは約0.6Vから少なくとも約3.4Vの範囲の入力電
圧で動作することができる。さらにより好ましくは、コントローラは約0.54
Vから少なくとも約3.6Vの範囲の入力電圧で動作することができ、約0.4
5Vから少なくとも約3.8Vの範囲が最も好ましい。しかし、コントローラは
この範囲の外側で動作することができ、またそうすることが好ましい。
However, in a preferred embodiment of the controller of the present invention designed for use with an electrochemical cell having a nominal voltage of about 3.0V, the controller comprises an electrochemical cell having a nominal voltage of about 1.5V. It must be able to operate at a voltage level higher than that required by the controller used with the target cell. For an electrochemical cell with a nominal voltage of about 3.0V, the controller is preferably at about 2.4V.
From about 3.2V to about 3.2V. The controller can more preferably operate in a range from about 0.8V to at least about 3.2V. More preferably, the controller can operate with an input voltage in the range from about 0.6V to at least about 3.4V. Even more preferably, the controller is about 0.54
Operating from an input voltage in the range of at least about 3.6 V to about 0.4 V;
Most preferred is a range from 5V to at least about 3.8V. However, the controller can, and preferably does, operate outside this range.

【0061】 好ましい代替実施形態は、公称電圧が約1.5Vまたは3.0Vである電気化
学的セルを用いて動作することができる。この実施形態では、コントローラは、
約0.8V、好ましくは約0.7V、より好ましくは約0.6V、最も好ましく
は約0.54Vの最小入力電圧と、少なくとも約3.2V、好ましくは3.4V
、より好ましくは3.6V、最も好ましくは約3.8Vの最大入力電圧を用いて
動作することができる。たとえば、コントローラは、約0.54Vから約3.4
V、約0.54Vから約3.8V、約0.7Vから約3.8Vなどの範囲で動作
することができる。
[0061] Alternative preferred embodiments can operate with electrochemical cells having a nominal voltage of about 1.5V or 3.0V. In this embodiment, the controller
A minimum input voltage of about 0.8V, preferably about 0.7V, more preferably about 0.6V, most preferably about 0.54V, and at least about 3.2V, preferably 3.4V
, More preferably at a maximum input voltage of 3.6V, most preferably about 3.8V. For example, the controller may operate from about 0.54V to about 3.4.
V, a range from about 0.54V to about 3.8V, about 0.7V to about 3.8V, and the like.

【0062】 本発明の電池はまた、カットオフ電圧を有さない閃光灯などの電気装置と共に
使用されたときに典型的な電池に勝る明確な利点を有する。典型的な電池を用い
た場合、電池が放電するにつれて、電池の出力電圧が低下していく。電気装置の
出力電力は、電池から供給される電圧に比例するので、電気装置の出力は電池出
力電圧に比例して低下する。たとえば、閃光電球の強度は、電池が完全に放電す
るまで電池の出力電圧が低下するにつれて低くなっていく。しかし、本発明の電
池は、セル電圧がコントローラが動作できなくなるレベルに低下するまで、セル
電圧を、電池の放電サイクル全体にわたって、制御された比較的一定の電圧レベ
ルに調整するコントローラを有する。この時点で、電池は電力供給を停止し、電
気装置は動作を停止する。しかし、放電サイクルの間、電気装置は、電池が電力
供給を停止するまで引き続き比較的定常な出力(たとえば、電球強度)を供給す
る。
The batteries of the present invention also have distinct advantages over typical batteries when used with electrical devices such as flashlights that do not have a cut-off voltage. When a typical battery is used, the output voltage of the battery decreases as the battery discharges. Since the output power of the electric device is proportional to the voltage supplied from the battery, the output of the electric device decreases in proportion to the battery output voltage. For example, the intensity of a flash bulb decreases as the battery's output voltage decreases until the battery is completely discharged. However, the battery of the present invention has a controller that regulates the cell voltage to a controlled, relatively constant voltage level throughout the battery discharge cycle until the cell voltage drops to a level at which the controller cannot operate. At this point, the battery stops supplying power and the electrical device stops operating. However, during the discharge cycle, the electrical device will continue to provide a relatively steady output (eg, bulb intensity) until the battery loses power.

【0063】 本発明の電池の好ましい実施形態は、ユーザに対する低残留電荷容量警告も含
む。コントローラはたとえば、電気化学的セル電圧が所定の値に達したときに、
短い持続時間の間間欠的に電池の出力端子から電気化学的セルを切断し再接続す
ることができる。これにより、電池が電力供給を停止しようとしていることを示
す可視表示、可聴表示、またはデバイス読取り可能表示を与えることができる。
また、コントローラは、電池ラン・タイムの終了時に電池の出力電圧を低下させ
ることによって、加速電池放電状態の条件を人為的に再作成することもできる。
たとえば、コントローラは、電池蓄積容量が定格容量の約5%になったときに出
力電圧の低下を開始することができる。これによって、テープ・プレーヤまたは
コンパクト・ディスク・プレーヤのボリュームが低下していることなどをユーザ
に示すことができ、あるいは装置に指示を与え、それに応じて装置がユーザに警
告することもできる。
[0063] Preferred embodiments of the battery of the present invention also include a low residual charge capacity warning to the user. The controller, for example, when the electrochemical cell voltage reaches a predetermined value,
The electrochemical cell can be disconnected and reconnected from the battery output terminal intermittently for a short duration. This can provide a visual, audible, or device readable indication that the battery is about to stop powering.
The controller can also artificially recreate the condition of the accelerated battery discharge state by reducing the output voltage of the battery at the end of the battery run time.
For example, the controller can initiate a decrease in output voltage when the battery storage capacity reaches about 5% of the rated capacity. This can indicate to the user that the volume of the tape player or compact disc player is low, or can provide an indication to the device and the device can alert the user accordingly.

【0064】 図7は、電気化学的セル730の正電極732および負電極734と容器71
2の正端子720および負端子722との間にDC/DCコンバータ750が電
気的にあるいは好ましくは電子的に接続された、本発明の一実施形態のブロック
図を示す。DC/DCコンバータ750は、電気化学的セル730の正電極73
2と負電極734との間のセル電圧を、容器712の正端子720および負端子
722で出力電圧に変換する。DC/DCコンバータ750は、出力端子720
および722でステップアップ変換、ステップダウン変換、ステップアップ変換
とステップダウン変換の両方、または電圧安定化を行う。この実施形態では、D
C/DCコンバータ750は、電気化学的セル730の出力電圧が電池のサービ
ス・ラン・タイムにわたって容器の端子720および722で安定な出力電圧に
変換される連続モードで動作する。この実施形態は、出力端子720および72
2で容器712の出力電圧を安定化する。安定な出力電圧を供給することによっ
て、電子デバイス設計者は、電子デバイスの電力管理回路の複雑度を低下させ、
それに応じてデバイスの寸法、重量、およびコストも削減する。
FIG. 7 shows the positive electrode 732 and the negative electrode 734 of the electrochemical cell 730 and the container 71.
2 shows a block diagram of one embodiment of the present invention, wherein a DC / DC converter 750 is electrically or preferably electronically connected between two positive terminals 720 and a negative terminal 722. FIG. The DC / DC converter 750 is connected to the positive electrode 73 of the electrochemical cell 730.
2 is converted to an output voltage at positive terminal 720 and negative terminal 722 of container 712. The DC / DC converter 750 has an output terminal 720.
Steps 722 and 722 perform step-up conversion, step-down conversion, both step-up conversion and step-down conversion, or voltage stabilization. In this embodiment, D
C / DC converter 750 operates in a continuous mode in which the output voltage of electrochemical cell 730 is converted to a stable output voltage at terminals 720 and 722 of the container over the service run time of the battery. This embodiment includes output terminals 720 and 72
In step 2, the output voltage of the container 712 is stabilized. Providing a stable output voltage allows electronic device designers to reduce the complexity of power management circuits in electronic devices,
The size, weight and cost of the device are correspondingly reduced.

【0065】 DC/DCコンバータ750は、電気化学的セル730のセル電圧がコンバー
タ750の電子構成要素Vfbの最小順方向バイアス電圧よりも低い電圧に降下
するまで動作し続ける。コントローラ740も、DC/DCコンバータ750の
最小スイッチング電圧Vfbが、電池710が電力を供給している電子デバイス
のカットオフ電圧よりも低い範囲で、容器712の端子720および722での
安定化された出力電圧が電子デバイスのカットオフ電圧を超えているかぎり、電
子デバイスのカットオフ電圧を超えた電池710のサービス・ラン・タイムを延
ばす。
The DC / DC converter 750 continues to operate until the cell voltage of the electrochemical cell 730 drops below the minimum forward bias voltage of the electronic component Vfb of the converter 750. The controller 740 is also stabilized at the terminals 720 and 722 of the container 712 to the extent that the minimum switching voltage Vfb of the DC / DC converter 750 is lower than the cutoff voltage of the electronic device to which the battery 710 is supplying power. As long as the output voltage exceeds the cut-off voltage of the electronic device, the service run time of the battery 710 that has exceeded the cut-off voltage of the electronic device is extended.

【0066】 図7に示す本発明の好ましい一実施形態では、連続モードで動作するDC/D
Cコンバータ750は、電気化学的セル730のセル電圧を容器712の出力電
圧まで低下させるステップダウン・コンバータでよい。ステップダウン・コンバ
ータを含むコントローラ740の一実施形態では、コンバータは、第1の種類の
電気化学的セル730を含む電池と第2の種類の電気化学的セルを含む電池とを
相互交換できるように、第1の種類の電気化学的セル730の電圧を、ほぼ第2
の種類の電気化学的セルの公称電圧レベルに等しい容器712の出力電圧に低下
させる。たとえば、標準1.5Vセルよりも高い公称電圧を有する電気化学的セ
ルを、連続的に動作するステップダウン・コンバータと組み合わせて使用して、
この電気化学的セルを化学的に変更する必要なしに、標準セルと相互交換できる
セルを形成することができる。この実施形態では、電気化学的セル自体の構造を
化学的に変更し、セルの化学的エネルギー蓄積を低減させることなしに、他の場
合に可能なよりも高い相互交換性が様々な種類の電気化学的セルの間で可能にな
る。
In a preferred embodiment of the invention shown in FIG. 7, a DC / D operating in continuous mode
C converter 750 may be a step-down converter that reduces the cell voltage of electrochemical cell 730 to the output voltage of container 712. In one embodiment of the controller 740 that includes a step-down converter, the converter can interchange a battery that includes a first type of electrochemical cell 730 with a battery that includes a second type of electrochemical cell. , The voltage of the first type of electrochemical cell 730 is approximately
The output voltage of the container 712 is equal to the nominal voltage level of the electrochemical cell of the type. For example, using an electrochemical cell having a nominal voltage higher than a standard 1.5V cell in combination with a continuously operating step-down converter,
Cells that can be interchanged with standard cells can be formed without having to chemically modify the electrochemical cells. In this embodiment, higher interchangeability than would otherwise be possible with various types of electrical cells without chemically altering the structure of the electrochemical cell itself and reducing the chemical energy storage of the cell. It becomes possible between chemical cells.

【0067】 たとえば、リチウム・セルを標準AA電池パッケージで使用して、同じ容積の
アルカリ電池より少なくとも2倍大きな容量を形成することができる。リチウム
MnO2などのリチウム・セルは、公称電圧が約3.0Vであり、通常は、1.
5Vの公称電圧を有するAAアルカリ電池と相互交換可能に使用することができ
ない。しかし、電池設計者は、公称電圧が約1.5Vであるリチウム電池を形成
するようにリチウム電気化学的セルの化学的性質を変更し、たとえば、標準AA
アルカリ電池と相互交換可能に使用できるリチウム電池を作製している。この1
.5Vリチウム電池は依然として写真フラッシュ負荷回路に高電流レベルを供給
する機能を有するが、1.5Vリチウム電気化学的セルは、総化学エネルギー蓄
積量を同じ容積のアルカリ・セルと比べて大幅に増大させることはできない。し
かし、本発明は、公称電圧が約3Vである標準リチウム電気化学的セルとコント
ローラとを使用してこの公称電圧を約1.5Vに変換する能力を実現する。した
がって、この電池は、化学的に変更された1.5Vリチウム・セルまたは1.5
Vアルカリ・セルを含む電池のほぼ2倍の化学エネルギー蓄積量を、どちらの1
.5V電池とでも完全に相互交換することのできる電池で実現する。また、本発
明のリチウム電池は、化学的に変更された1.5Vのリチウム・セルを含む電池
と同じ高い電流レベルを供給する。
For example, a lithium cell can be used in a standard AA battery package to form a capacity that is at least twice as large as an alkaline battery of the same volume. Lithium cells, such as lithium MnO2, have a nominal voltage of about 3.0V and typically have a voltage of 1.
It cannot be used interchangeably with AA alkaline batteries having a nominal voltage of 5V. However, battery designers have changed the chemistry of lithium electrochemical cells to form lithium batteries with a nominal voltage of about 1.5V, for example, standard AA
We are making lithium batteries that can be used interchangeably with alkaline batteries. This one
. While 5V lithium batteries still have the ability to provide high current levels to photographic flash load circuits, 1.5V lithium electrochemical cells greatly increase total chemical energy storage compared to the same volume of alkaline cells. It is not possible. However, the present invention provides the ability to convert this nominal voltage to about 1.5V using a standard lithium electrochemical cell and a controller with a nominal voltage of about 3V. Thus, the battery is a chemically modified 1.5 V lithium cell or 1.5 V
Nearly twice the amount of chemical energy stored in batteries containing alkaline cells
. It is realized by a battery that can be completely interchanged with a 5V battery. Also, the lithium batteries of the present invention provide the same high current levels as batteries containing chemically modified 1.5V lithium cells.

【0068】 また、コントローラ740は、電池710を使用する閃光灯などの電気装置の
性能も最適化する。電気装置は電子デバイスとは異なり、最小動作電圧では停止
しないが、閃光灯電球の強度など電気装置の性能は、入力電圧が低くなるにつれ
て低下していく。したがって、電池710の出力電圧が安定であれば、電気化学
的セル730の電圧が低くなるにつれて装置の性能が低下することなしに、電気
装置の性能を電池のサービス・ラン・タイムにわたって一定にしておくことがで
きる。
The controller 740 also optimizes the performance of electrical devices such as flashlights that use the battery 710. Electrical devices, unlike electronic devices, do not stop at the minimum operating voltage, but the performance of electrical devices, such as the strength of flashlight bulbs, decreases as the input voltage decreases. Thus, if the output voltage of the battery 710 is stable, the performance of the electrical device can be made constant over the service run time of the battery without lowering the performance of the device as the voltage of the electrochemical cell 730 decreases. I can put it.

【0069】 DC/DCコンバータ750は、パルス変調など多数の既知の制御方式を使用
することができ、コンバータ750の動作パラメータを制御するためにパルス幅
変調(「PWM」)共鳴コンバータ、パルス振幅変調(「PAM」)共鳴コンバ
ータ、パルス周波数変調(「PFM」)共鳴コンバータ、パルス移相変調(「P
ΨM」)共鳴コンバータなどをさらに含むことができる。本発明のコンバータ7
50の好ましい実施形態はパルス幅変調を使用する。より好ましい実施形態はパ
ルス幅変調とパルス位相変調の組合せを使用し、この実施形態について以下に詳
しく説明する。
The DC / DC converter 750 can use a number of known control schemes, such as pulse modulation, and uses a pulse width modulation (“PWM”) resonance converter, pulse amplitude modulation to control the operating parameters of the converter 750. (“PAM”) resonant converter, pulse frequency modulation (“PFM”) resonant converter, pulse phase shift modulation (“P
ΨM ”) may further include a resonance converter or the like. Converter 7 of the present invention
The 50 preferred embodiments use pulse width modulation. A more preferred embodiment uses a combination of pulse width modulation and pulse phase modulation, and this embodiment is described in detail below.

【0070】 本発明の電池で使用されるDC/DCコンバータ750の好ましい実施形態で
は、コンバータは、DC/DCコンバータ750を駆動するパルス幅変調器によ
って制御される。パルス幅変調器は、デューティ・サイクルが変動する一定の周
波数制御信号を生成する。たとえば、デューティ・サイクルは、DC/DCコン
バータがオフであるときにはゼロでよく、コンバータが全容量で動作していると
きには100%でよく、かつ負荷の需要および/または電気化学的セル730の
残りの容量に応じてゼロと100%との間で変動することができる。このパルス
幅変調方式は、デューティ・サイクルを生成するために使用される少なくとも1
つの入力信号を有する。一実施形態では、容器712の端子720および722
での出力電圧が連続的にサンプリングされ、基準電圧と比較される。DC/DC
コンバータのデューティ・サイクルが変更するために誤差補正信号が使用される
。この例では、容器712の端子720および722での出力電圧からの負フィ
ードバック・ループによって、DC/DCコンバータ750は、安定化された出
力電圧を供給することができる。別法として、DC/DCコンバータ750はセ
ル電圧、すなわち、電気化学的セル730の正電極732と負電極734との間
の電圧など複数の入力信号と出力電流とを使用してデューティ・サイクルを生成
することができる。この実施形態では、セル電圧および出力電流が監視され、D
C/DCコンバータ750は、この2つのパラメータの関数であるデューティ・
サイクルを生成する。
In a preferred embodiment of the DC / DC converter 750 used in the battery of the present invention, the converter is controlled by a pulse width modulator driving the DC / DC converter 750. The pulse width modulator generates a constant frequency control signal with a varying duty cycle. For example, the duty cycle may be zero when the DC / DC converter is off, 100% when the converter is operating at full capacity, and load demand and / or the remainder of the electrochemical cell 730. It can vary between zero and 100% depending on capacity. This pulse width modulation scheme uses at least one pulse width modulation scheme to generate the duty cycle.
It has two input signals. In one embodiment, terminals 720 and 722 of container 712
Is continuously sampled and compared to a reference voltage. DC / DC
The error correction signal is used to change the duty cycle of the converter. In this example, a negative feedback loop from the output voltage at terminals 720 and 722 of container 712 allows DC / DC converter 750 to provide a regulated output voltage. Alternatively, DC / DC converter 750 may use a plurality of input signals and output currents, such as the cell voltage, ie, the voltage between positive electrode 732 and negative electrode 734 of electrochemical cell 730, to set the duty cycle. Can be generated. In this embodiment, the cell voltage and output current are monitored and D
C / DC converter 750 provides a duty cycle that is a function of these two parameters.
Generate a cycle.

【0071】 図8ないし図11は、本発明の集積コントローラ回路の追加の実施形態のブロ
ック図である。これら実施形態のそれぞれで、集積コントローラ回路は、少なく
とも2つの主構成要素、すなわち、(1)DC/DCコンバータと、(2)DC
/DCコンバータがセル電圧を、負荷を駆動するのに必要な電圧に変換すること
が必要になったときにのみ、DC/DCコンバータの内部損失が生じるように、
電気化学的セル電極と容器の出力端子との間にDC/DCコンバータを電気的に
、あるいは好ましくは電子的に接続し切断するコンバータ・コントローラとを含
む。DC/DCコンバータはたとえば、セル電圧が、負荷がもはや動作できなく
なる所定のレベルに降下したときにのみ、オンにすることができる。別法として
、電子デバイスが、たとえば電池の公称電圧の±10%など特定の範囲内の入力
電圧を必要とする場合、コンバータ・コントローラは、セル電圧が所望の範囲外
であるときにはDC/DCコンバータを「オン」にするが、セル電圧が所望の範
囲内であるときにはコンバータを「オフ」にすることができる。
FIGS. 8-11 are block diagrams of additional embodiments of the integrated controller circuit of the present invention. In each of these embodiments, the integrated controller circuit comprises at least two main components: (1) a DC / DC converter and (2) a DC / DC converter.
Only when the DC / DC converter needs to convert the cell voltage to the voltage required to drive the load, the internal losses of the DC / DC converter occur.
A converter controller electrically and preferably electronically connects and disconnects the DC / DC converter between the electrochemical cell electrode and the output terminal of the container. The DC / DC converter can be turned on, for example, only when the cell voltage drops to a predetermined level at which the load can no longer operate. Alternatively, if the electronic device requires an input voltage within a certain range, for example, ± 10% of the battery's nominal voltage, the converter controller may provide a DC / DC converter when the cell voltage is outside the desired range. Can be turned on, but the converter can be turned off when the cell voltage is within the desired range.

【0072】 たとえば、図8で、DC/DCコンバータ850は、電気化学的セル830の
正電極832および負電極834と容器812の正端子820および負端子82
2との間に電気的に接続される。コンバータ・コントローラ852も、電気化学
的セル830の正電極832および負電極834と容器812の正端子820お
よび負端子822との間に電気的に接続される。この例では、コンバータ・コン
トローラ852は、電気化学的セル830を容器812の出力端子820および
822に直接接続するか、あるいは電気化学的セル830と容器812の出力端
子820および822との間にDC/DCコンバータ850を接続するスイッチ
として働く。コンバータ・コントローラ852は、出力電圧を連続的にサンプリ
ングし、内部で生成された1つまたは複数のしきい値電圧と比較する。たとえば
、容器812の出力電圧が、しきい値電圧レベルよりも低くなるか、あるいはし
きい値電圧の所望の範囲外である場合、コンバータ・コントローラ852は、電
気化学的セル830と容器812の出力端子820および822との間にDC/
DCコンバータ850を電気的に、あるいは好ましくは電子的に接続することに
よってDC/DCコンバータ850を「オンに切り替える」。しきい値電圧は好
ましくはほぼ、電気化学的セル830の公称電圧から、電池が動作するように設
計されている電子デバイスのクラスの最高カットオフ電圧付近までの範囲である
。別法として、コンバータ・コントローラ852は、電気化学的セルのセル電圧
を連続的にサンプリングし、この電圧をしきい値電圧と比較し、DC/DCコン
バータ850の動作を制御することができる。
For example, in FIG. 8, DC / DC converter 850 includes positive electrode 832 and negative electrode 834 of electrochemical cell 830 and positive terminal 820 and negative terminal 82 of container 812.
2 are electrically connected. Converter controller 852 is also electrically connected between positive electrode 832 and negative electrode 834 of electrochemical cell 830 and positive terminal 820 and negative terminal 822 of container 812. In this example, converter controller 852 may connect electrochemical cell 830 directly to output terminals 820 and 822 of container 812, or connect DC between electrochemical cell 830 and output terminals 820 and 822 of container 812. It functions as a switch for connecting the / DC converter 850. Converter controller 852 continuously samples the output voltage and compares it to one or more internally generated threshold voltages. For example, if the output voltage of container 812 falls below the threshold voltage level or is outside the desired range of the threshold voltage, converter controller 852 may control the output of electrochemical cell 830 and the output of container 812. DC / between terminals 820 and 822
The DC / DC converter 850 is “switched on” by electrically or preferably electronically connecting the DC converter 850. The threshold voltage preferably ranges approximately from the nominal voltage of the electrochemical cell 830 to near the maximum cutoff voltage of the class of electronic device for which the battery is designed to operate. Alternatively, converter controller 852 can continuously sample the cell voltage of the electrochemical cell, compare this voltage to a threshold voltage, and control the operation of DC / DC converter 850.

【0073】 図9のコントローラ940は、図8に示すコントローラ840の要素を含むこ
とができるが、さらに、電気化学的セル930の電極932と電極934との間
に電気的に接続されたグラウンド・バイアス回路980と、DC/DCコンバー
タ950と、コンバータ・コントローラ952と、容器912の出力端子920
および922とを含む。グラウンド・バイアス回路980は、負にバイアスされ
た電圧レベルVnbをDC/DCコンバータ950と容器912の負出力端子9
22とに供給する。これによって、DC/DCコンバータ950に印可される電
圧は、セル電圧から、負にバイアスされた電圧レベルVnbの絶対値をセル電圧
の電圧レベルに加えた値に上昇する。この場合、コンバータ950は、実際のセ
ル電圧が、グラウンド・バイアス回路980を駆動する必要のある最低順方向バ
イアス電圧よりも低い電圧レベルに降下するまで、効率的な電圧レベルで動作す
ることができる。したがって、コンバータ950は、それを駆動する電気化学的
セル930のセル電圧のみを用いて得ることができるよりも高い電流レベルをよ
り効率的に得ることができる。公称電圧が約1.5Vである電気化学的セルを有
する本発明の電池910用のコントローラ940の好ましい実施形態において、
負にバイアスされた電圧Vnbは好ましくは、約0Vから約1Vの範囲である。
より好ましくは、負にバイアスされた電圧Vnbは約0.5Vであり、0.4V
が最も好ましい。したがって、公称電圧が約1.5Vである電気化学的セルにお
いてセル電圧が約1Vよりも低い電圧に降下したときに、グラウンド・バイアス
回路980によって、コンバータは、電気化学的セル930をより深く放電させ
、電気化学的セル930から電流を抽出する際のコンバータ950の効率を高め
ることができる。
The controller 940 of FIG. 9 may include the elements of the controller 840 shown in FIG. 8, but may further include a ground connection electrically connected between the electrodes 932 and 934 of the electrochemical cell 930. Bias circuit 980, DC / DC converter 950, converter controller 952, and output terminal 920 of container 912
And 922. The ground bias circuit 980 outputs the negatively biased voltage level Vnb to the DC / DC converter 950 and the negative output terminal 9 of the container 912.
22. As a result, the voltage applied to the DC / DC converter 950 rises from the cell voltage to a value obtained by adding the absolute value of the negatively biased voltage level Vnb to the cell voltage. In this case, converter 950 can operate at an efficient voltage level until the actual cell voltage drops to a voltage level lower than the lowest forward bias voltage that needs to drive ground bias circuit 980. . Accordingly, converter 950 can more efficiently obtain higher current levels than can be obtained using only the cell voltage of the electrochemical cell 930 that drives it. In a preferred embodiment of the controller 940 for the battery 910 of the present invention having an electrochemical cell with a nominal voltage of about 1.5V,
The negatively biased voltage Vnb preferably ranges from about 0V to about 1V.
More preferably, the negatively biased voltage Vnb is about 0.5V and 0.4V
Is most preferred. Thus, when the cell voltage drops below about 1 V in an electrochemical cell having a nominal voltage of about 1.5 V, the ground bias circuit 980 causes the converter to discharge the electrochemical cell 930 more deeply. As a result, the efficiency of the converter 950 when extracting current from the electrochemical cell 930 can be increased.

【0074】 本発明の電池910におけるグラウンド・バイアス回路980として使用でき
る電荷ポンプ988の例示的な一実施形態を図9Aに示す。この実施形態では、
スイッチS1およびS3が閉じられ、S2およびS4が開かれると、電気化学的
セル930のセル電圧がキャパシタCaを充電する。次いで、スイッチS1およ
びS3が開かれ、S2およびS4が閉じられると、キャパシタCa上の電荷が反
転されてキャパシタCbに伝導され、キャパシタCbは、電気化学的セル930
のセル電圧から反転出力電圧を供給する。別法として、図9Aに示す電荷ポンプ
988を、当技術分野で知られている任意の適切な電荷ポンプで置き換えること
ができる。
One exemplary embodiment of a charge pump 988 that can be used as the ground bias circuit 980 in the battery 910 of the present invention is shown in FIG. 9A. In this embodiment,
When switches S1 and S3 are closed and S2 and S4 are open, the cell voltage of electrochemical cell 930 charges capacitor Ca. Then, when the switches S1 and S3 are opened and S2 and S4 are closed, the charge on the capacitor Ca is inverted and conducted to the capacitor Cb, and the capacitor Cb is connected to the electrochemical cell 930.
Supplies the inverted output voltage from the cell voltage of Alternatively, the charge pump 988 shown in FIG. 9A can be replaced with any suitable charge pump known in the art.

【0075】 本発明の好ましい実施形態では、グラウンド・バイアス回路980は電荷ポン
プ回路986を含む。電荷ポンプ986は、図9Bに示されており、クロック発
生装置987と1つまたは複数のポンプ988とを含む。図9Bに示す電荷ポン
プ回路986の好ましい実施形態では、電荷ポンプはたとえば、4つのミニ・ポ
ンプ989と1つのメイン・ポンプ990とを含む2段構成を含む。しかし、任
意の数のミニ・ポンプ989を使用することができる。電荷ポンプ回路986の
好ましい一実施形態はたとえば、12個のミニ・ポンプ989と1個のメイン・
ポンプを含む。この実施形態のミニ・ポンプ989およびメイン・ポンプ990
は、クロック発生装置987によって生成され、各信号が同じ周波数を有するが
、互いに移相された、4つの異なる位相制御信号991a、991b、991c
、および991dによって駆動される。制御信号991aないし991dはたと
えば、互いに90度移相することができる。この実施形態では、各ミニ・ポンプ
989は、クロック発生装置によって生成された制御信号991aないし991
dの反転出力電圧を供給する。メイン・ポンプ990は、複数のミニ・ポンプ9
89の出力を加算し、ミニ・ポンプ989の個々の出力電圧と同じ電圧レベルで
あるが、すべての12個のミニ・ポンプ989から供給される電流の合計よりも
高い電流レベルである出力信号を、電荷ポンプ回路986に供給する。この出力
信号は、DC/DCコンバータ950および容器912の出力負端子922用の
仮想グラウンドを供給する。
In a preferred embodiment of the present invention, ground bias circuit 980 includes charge pump circuit 986. The charge pump 986 is shown in FIG. 9B and includes a clock generator 987 and one or more pumps 988. In the preferred embodiment of the charge pump circuit 986 shown in FIG. 9B, the charge pump includes a two-stage configuration including, for example, four mini pumps 989 and one main pump 990. However, any number of mini pumps 989 can be used. One preferred embodiment of the charge pump circuit 986 includes, for example, twelve mini-pumps 989 and one main pump.
Including pump. The mini pump 989 and the main pump 990 of this embodiment
Are generated by a clock generator 987, each signal having the same frequency but phase shifted with respect to four different phase control signals 991a, 991b, 991c
, And 991d. The control signals 991a to 991d can be, for example, 90 degrees out of phase with each other. In this embodiment, each mini-pump 989 controls the control signals 991a through 991 generated by the clock generator.
Supply the inverted output voltage of d. The main pump 990 includes a plurality of mini pumps 9.
The outputs of 89 are summed to produce an output signal that is at the same voltage level as the individual output voltages of the mini-pumps 989, but at a higher current level than the sum of the currents supplied by all twelve mini-pumps 989. , To the charge pump circuit 986. This output signal provides a virtual ground for the DC / DC converter 950 and the output negative terminal 922 of the container 912.

【0076】 本発明の他の態様では、電荷ポンプ回路は、電荷ポンプ回路986に関連する
損失を最小限に抑えるために、セルが所定の電圧レベルに降下したときに電荷ポ
ンプ回路986をオンに切り替える電荷ポンプ・コントローラ992をさらに含
む。電荷ポンプ・コントローラ992用の所定の電圧レベルはたとえば、ほぼ電
気化学的セル930の公称電圧から、電池910が電力を供給するように設計さ
れている電子デバイス群の最高カットオフ電圧までの範囲でよい。所定の電圧レ
ベルは好ましくは、電池910が電力を供給するように設計されている電子デバ
イスのクラスの最高カットオフ電圧よりもわずかに高い。たとえば、所定の電圧
レベルは好ましくは、電池910が動作するように設計されている電子デバイス
のクラスの最高カットオフ電圧よりも約0.2V高い。より好ましくは、所定の
電圧レベルはカットオフ電圧よりも0.15V高い。さらに、より好ましくは、
所定の電圧レベルはカットオフ電圧よりも約0.1V高く、カットオフ電圧より
も約0.05V高いことが好ましい。別法として、電荷ポンプ回路986は、コ
ンバータ950が動作しているときにのみ電荷ポンプ回路986が動作するよう
にDC/DCコンバータ950をオンに切り替えるのと同じ制御信号によって制
御することができる。
In another aspect of the invention, the charge pump circuit turns on the charge pump circuit 986 when the cell drops to a predetermined voltage level to minimize losses associated with the charge pump circuit 986. It further includes a charge pump controller 992 for switching. The predetermined voltage level for the charge pump controller 992 may range, for example, from approximately the nominal voltage of the electrochemical cell 930 to the highest cutoff voltage of the group of electronic devices to which the battery 910 is designed to supply power. Good. The predetermined voltage level is preferably slightly higher than the highest cut-off voltage of the class of electronic device for which the battery 910 is designed to supply power. For example, the predetermined voltage level is preferably about 0.2 V higher than the highest cut-off voltage of the class of electronic device for which the battery 910 is designed to operate. More preferably, the predetermined voltage level is 0.15V above the cutoff voltage. Further more preferably,
Preferably, the predetermined voltage level is about 0.1 V above the cutoff voltage and about 0.05 V above the cutoff voltage. Alternatively, the charge pump circuit 986 may be controlled by the same control signal that turns on the DC / DC converter 950 such that the charge pump circuit 986 operates only when the converter 950 is operating.

【0077】 さらに、グラウンド・バイアス回路980がオフに切り替えられたときに、容
器912の出力負端子922に印可されている仮想グラウンドが電気化学的セル
930の負電極934の電圧レベルに低下することが好ましい。したがって、グ
ラウンド・バイアス回路が動作していないとき、電池は、電気化学的セル930
の負電極934によって形成される標準グラウンド構成で動作する。
Further, when the ground bias circuit 980 is turned off, the virtual ground applied to the output negative terminal 922 of the container 912 drops to the voltage level of the negative electrode 934 of the electrochemical cell 930. Is preferred. Thus, when the ground bias circuit is not operating, the battery is powered by the electrochemical cell 930
Operate in a standard ground configuration formed by the negative electrode 934 of FIG.

【0078】 別法として、グラウンド・バイアス回路980は、Buck−Boostコン
バータ、Cukコンバータ、線形調整器など第2のDC/DCコンバータを備え
ることができる。また、DC/DCコンバータ950とグラウンド・バイアス回
路980を組み合わせ、正出力電圧を上昇させると共に負出力電圧を下降させる
Buck−Boostコンバータ、プッシュプル・コンバータ、フライバック・
コンバータなど単一のコンバータで置き換えることができる。
Alternatively, the ground bias circuit 980 can include a second DC / DC converter, such as a Buck-Boost converter, a Cuk converter, a linear regulator. Further, a DC / DC converter 950 and a ground bias circuit 980 are combined to increase a positive output voltage and decrease a negative output voltage, such as a Buck-Boost converter, a push-pull converter, and a flyback converter.
It can be replaced with a single converter such as a converter.

【0079】 図10は、本発明のコントローラ回路1040の他の実施形態を示す。この実
施形態では、DC/DCコンバータ1050は、移相検知回路1062などの外
部信号源から補正制御信号を受け入れることができる。上記で図7を参照して説
明したように、DC/DCコンバータ1050は、パルス幅変調器などの制御方
式を使用してコンバータ1050の動作パラメータを制御する。この実施形態で
は、コントローラ回路1040は、図9に示すコントローラ940と同じ要素を
含むが、電極1032でのセル電圧のAC成分と、電流検知抵抗器Rcを横切っ
て測定される電気化学的セル1030から得られる電流との間の瞬時移相Ψを測
定する移相検知回路1062をさらに含む。DC/DCコンバータ1050は、
内部または外部で生成された他の制御信号をこの信号と組み合わせて使用してデ
ューティ・サイクルを生成する。
FIG. 10 shows another embodiment of the controller circuit 1040 of the present invention. In this embodiment, DC / DC converter 1050 can accept a correction control signal from an external signal source, such as phase shift detection circuit 1062. As described above with reference to FIG. 7, the DC / DC converter 1050 controls the operation parameters of the converter 1050 using a control method such as a pulse width modulator. In this embodiment, the controller circuit 1040 includes the same elements as the controller 940 shown in FIG. 9, but the AC component of the cell voltage at the electrode 1032 and the electrochemical cell 1030 measured across the current sensing resistor Rc. And a phase shift detection circuit 1062 that measures the instantaneous phase shift Ψ between the current and the current obtained from DC / DC converter 1050 is
Other internally or externally generated control signals are used in combination with this signal to generate the duty cycle.

【0080】 図11に示す実施形態のコントローラ1140は、図10に示すコントローラ
1040と同じ要素を含むことができるが、電流検知抵抗器Rc、ならびに電気
化学的セル1130の正電極1132および負電極1122に電気的に接続され
、さらにコンバータ・コントローラ1152に接続された緊急切断回路1182
をさらに含む。緊急切断回路1182は、消費者、電気装置、または電子デバイ
ス、あるいは電気化学的セル自体を保護するために容器1112の出力端子11
20および1122からの電気化学的セル1130の切断を必要とする1つまた
は複数の安全関連条件をコンバータ・コントローラ1152に知らせる。たとえ
ば、短絡または極性反転が起こった場合、緊急切断回路1182は、電気化学的
セル1030の電極1132および1134を容器1112の端子1120およ
び1122から切断するようコンバータ・コントローラ1152に指示する。ま
た、緊急切断回路1182は、電気化学的セル1130の電圧および/または内
部インピーダンスを検知することによって電気化学的セル1130の放電サイク
ルの終了時をコンバータ・コントローラ1152に示すこともできる。たとえば
、コントローラ1140は、電気化学的セル1130の残留容量が所定のレベル
に減少したときに電流を低下させ、電気化学的セル1130の残留容量が所定の
値に達したときに短い持続時間の間に電気化学的セル1130の電極1132お
よび1134を出力端子1120および1122から間欠的に切断し再接続する
か、あるいは電池が電力供給を停止しそうであることを示す他の何らかの可視表
示、可聴表示、または機械読取り可能な表示を与えることができる。緊急切断回
路は、放電サイクルの終了時に、電気化学的セル1130を容器1112の端子
1120および1122から切断し、かつ/または、放電した電気化学的セル1
130がそれに直列接続された他のセルの電流を消費するのを防止するために出
力端子1120および1122を短絡させることを求める信号をコンバータ・コ
ントローラ1152に送ることもできる。
The controller 1140 of the embodiment shown in FIG. 11 can include the same elements as the controller 1040 shown in FIG. 10, but with the current sensing resistor Rc and the positive and negative electrodes 1132 and 1122 of the electrochemical cell 1130 Emergency disconnection circuit 1182 electrically connected to converter controller 1152
Further included. The emergency disconnect circuit 1182 is connected to the output terminal 11 of the container 1112 to protect the consumer, electrical or electronic device, or the electrochemical cell itself.
Inform converter controller 1152 of one or more safety-related conditions that require disconnection of electrochemical cell 1130 from 20 and 1122. For example, if a short circuit or polarity reversal occurs, the emergency disconnect circuit 1182 directs the converter controller 1152 to disconnect the electrodes 1132 and 1134 of the electrochemical cell 1030 from the terminals 1120 and 1122 of the container 1112. Emergency disconnect circuit 1182 may also indicate to converter controller 1152 when the discharge cycle of electrochemical cell 1130 is complete by sensing the voltage and / or internal impedance of electrochemical cell 1130. For example, the controller 1140 may reduce the current when the residual capacity of the electrochemical cell 1130 has decreased to a predetermined level, and for a short duration when the residual capacity of the electrochemical cell 1130 reaches a predetermined value. Intermittently disconnect and reconnect electrodes 1132 and 1134 of electrochemical cell 1130 from output terminals 1120 and 1122, or some other visual or audible indication that the battery is about to lose power. Or a machine readable display can be provided. The emergency disconnect circuit disconnects the electrochemical cell 1130 from the terminals 1120 and 1122 of the container 1112 and / or discharges the electrochemical cell 1 at the end of the discharge cycle.
A signal may be sent to converter controller 1152 requesting that output terminals 1120 and 1122 be shorted to prevent 130 from consuming current in other cells connected in series.

【0081】 図12に示す好ましいコントローラ1240は、正電極1232を容器121
2の正端子1220に電子的に接続し正端子1220から電子的に切断すること
のできる同期整流器1274を有するDC/DCコンバータ1250を含む。同
期整流器1274のスイッチは、電気化学的セル1230の正電極1232およ
び負電極1234と容器の出力端子1220および1222との間の直接電気経
路において、上記で図8に関して説明したコンバータ・コントローラ852など
追加のスイッチを不要にする。また、同期整流器1274は内部損失を削減する
ことによってDC/DCコンバータ1250の効率を高める。この実施形態のコ
ンバータ・コントローラ1252では、DC/DCコンバータ1250を制御す
るための追加の入力信号を使用することもできる。たとえば、図12に示す実施
形態では、コンバータ・コントローラ1252は、前記で図10に関して説明し
た移相測定値だけでなく、温度、圧力、水素濃度および酸素濃度などの内部電気
化学的セル環境をセンサを介して監視する。
The preferred controller 1240 shown in FIG.
A DC / DC converter 1250 having a synchronous rectifier 1274 electronically connectable to and disconnectable from the second positive terminal 1220 is included. The switches of the synchronous rectifier 1274 may be added in the direct electrical path between the positive and negative electrodes 1232 and 1234 of the electrochemical cell 1230 and the output terminals 1220 and 1222 of the container, such as the converter controller 852 described above with respect to FIG. Switch is unnecessary. Synchronous rectifier 1274 also increases the efficiency of DC / DC converter 1250 by reducing internal losses. The converter controller 1252 of this embodiment may use additional input signals to control the DC / DC converter 1250. For example, in the embodiment shown in FIG. 12, converter controller 1252 senses internal electrochemical cell environments such as temperature, pressure, hydrogen and oxygen concentrations, as well as the phase shift measurements described above with respect to FIG. Monitor through.

【0082】 図7ないし図12は、本発明の累進的に複雑になる回路設計を示す。これらの
設計は、本発明のコントローラの中心要素であるDC/DCコンバータだけでな
く集積コントローラ回路に含めることのできる様々な要素についても順序正しく
説明するために与えられている。提示の順序は、複数の異なる要素を組み合わせ
た回路に後で導入される要素が、その前の図に関して説明したすべての特徴を有
さない場合に本発明の範囲から逸脱することを意味するわけではない。たとえば
、緊急切断回路、電荷インディケータ回路、位相検知回路、および/またはグラ
ウンド・バイアス回路を、コンバータ・コントローラや、これらの要素を示す図
に示されている他の要素なしに、図6ないし図11の回路と組み合わせて使用す
ることができる。
7 to 12 show progressively more complex circuit designs of the present invention. These designs are provided in order to describe not only the DC / DC converter, which is the central element of the controller of the present invention, but also the various elements that can be included in an integrated controller circuit. The order of presentation does not imply that elements introduced subsequently in a circuit combining several different elements depart from the scope of the invention if they do not have all the features described with respect to the preceding figures. is not. For example, an emergency disconnection circuit, a charge indicator circuit, a phase sensing circuit, and / or a ground bias circuit may be provided without a converter controller or other elements shown in the figures showing these elements. Can be used in combination with the above circuit.

【0083】 本発明の電池1310で使用される集積コントローラ回路1340の好ましい
実施形態は、DC/DCコンバータ1350およびコンバータ・コントローラ1
352を含み、図13に示されている。コンバータ1350は好ましくは、大部
分の電子デバイスのしきい値電圧よりも低い電圧で動作することのできるほぼイ
ンダクタレスで高周波数、高効率の中電力コンバータである。コントローラ13
40は、電気化学的セル1330の負電極1334の電位よりも低い電位を有す
る仮想グラウンドをDC/DCコンバータ1350および容器1312の出力端
子1322に供給するために、図9Bに示すような電荷ポンプを含むことが好ま
しい。仮想グラウンドは、DC/DCコンバータ1350を駆動するために使用
することのできる高い電圧差を与え、コンバータ1350が、それを駆動するセ
ル電圧のみで可能なよりも高い電流レベルを電気化学的セル1330からより効
率的に得ることを可能にする。
A preferred embodiment of the integrated controller circuit 1340 used in the battery 1310 of the present invention is a DC / DC converter 1350 and a converter controller 1
352 and is shown in FIG. Converter 1350 is preferably a substantially inductorless, high frequency, high efficiency medium power converter capable of operating at a voltage below the threshold voltage of most electronic devices. Controller 13
40 provides a charge pump as shown in FIG. 9B to supply a virtual ground having a lower potential than the potential of the negative electrode 1334 of the electrochemical cell 1330 to the DC / DC converter 1350 and the output terminal 1322 of the container 1312. It is preferred to include. The virtual ground provides a high voltage difference that can be used to drive the DC / DC converter 1350, which causes the converter 1350 to generate a higher current level than is possible with the cell voltage alone driving the electrochemical cell 1330. To get more efficiently from

【0084】 この実施形態では、コンバータ・コントローラ1352は好ましくは、パルス
幅パルス位相変調制御方式を使用する。移相検知回路1362は、セル電圧と、
電気化学的セル1330の正電極1332および負電極1334で電気化学的セ
ル1330から得られる電流と、電圧と電流との間の瞬間的および/または連続
的な移相とを測定する。この移相は、電気化学的セル1330の電荷容量の関数
である、電気化学的セル1330の内部インピーダンスを形成する。セル閉回路
電圧降下によって決定される電気化学的セル1330の約50%の放電の後で、
内部インピーダンスが高くなることによって、電気化学的セル1330容量が残
っていることが示される。移相検知回路1362は、このような信号を位相線形
コントローラ1371に供給する。位相線形コントローラ1371は次いで、移
相検知回路1362によって検知された電圧Vsと、パルス幅変調制御方式とパ
ルス位相変調制御方式の組合せを使用する移相パルス変調器1376に正比例す
る出力電圧制御信号V(psi)とを供給する。パルス変調器1376はまた、
抵抗器Rsを横切る電圧降下を電圧制御信号として受け取る。
In this embodiment, converter controller 1352 preferably uses a pulse width pulse phase modulation control scheme. The phase shift detection circuit 1362 includes:
The positive electrode 1332 and the negative electrode 1334 of the electrochemical cell 1330 measure the current obtained from the electrochemical cell 1330 and the instantaneous and / or continuous phase shift between the voltage and the current. This phase shift forms an internal impedance of the electrochemical cell 1330, which is a function of the charge capacity of the electrochemical cell 1330. After about 50% discharge of the electrochemical cell 1330 as determined by the cell closed circuit voltage drop,
A higher internal impedance indicates that the electrochemical cell 1330 capacity remains. The phase shift detection circuit 1362 supplies such a signal to the phase linear controller 1371. The phase linear controller 1371 then controls the voltage Vs detected by the phase shift detection circuit 1362 and the output voltage control signal V in direct proportion to the phase shift pulse modulator 1376 using a combination of pulse width modulation control and pulse phase modulation control. (Psi). The pulse modulator 1376 also
The voltage drop across resistor Rs is received as a voltage control signal.

【0085】 パルス変調器1376は、電圧制御信号を組み合わせて使用してDC/DCコ
ンバータ1350を駆動する。電圧Vsが所定のしきい値電圧レベルを超えると
、パルス変調器1376は、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(「MOS
FET」)M3を閉状態に維持し、MOSFET M4を開状態に維持する。電
気化学的セル1330から負荷への電流経路はMOSFET M3を介して維持
される。また、デューティ・サイクルが実際上0%に維持されるので、DC/D
Cコンバータ1350およびコンバータ・コントローラ1352に関連する損失
は最小限に抑えられる。この場合、閉じたMOSFET M3および抵抗器Rs
のDC損失は極めて低い。抵抗器Rsはたとえば、約0.01Ωから約0.1Ω
の範囲である。
The pulse modulator 1376 drives the DC / DC converter 1350 by using the voltage control signal in combination. When voltage Vs exceeds a predetermined threshold voltage level, pulse modulator 1376 activates a metal oxide semiconductor field effect transistor (“MOS
FET ") keep M3 closed and keep MOSFET M4 open. The current path from electrochemical cell 1330 to the load is maintained through MOSFET M3. Also, since the duty cycle is effectively maintained at 0%, the DC / D
The losses associated with C converter 1350 and converter controller 1352 are minimized. In this case, the closed MOSFET M3 and the resistor Rs
Has very low DC loss. The resistor Rs is, for example, about 0.01 Ω to about 0.1 Ω.
Range.

【0086】 しかし、電圧Vsが所定のしきい値電圧レベルよりも低くなると、パルス変調
器1376がオンにされ、電圧制御信号の組合せに基づいてDC/DCコンバー
タ1350のデューティ・サイクルを変調する。Vsの振幅は、デューティ・サ
イクルを制御する一次制御信号として働く。電流検知抵抗器Rsを横切る電圧降
下は、出力電流の関数であり、第2の制御信号として働く。最後に、位相線形コ
ントローラ1371によって生成される信号V(psi)は、セル電圧のAC成
分と、電気化学的セル1330から得られる電流との間の移相に正比例する第3
の制御信号である。特に、V(psi)信号は、電池のサービス・ラン・タイム
にわたる内部インピーダンスの変化に応答してデューティ・サイクルを変更する
ために使用される。デューティ・サイクルはコンバータの効率および電池のサー
ビス・ラン・タイムに影響を与える。パルス変調器は、Vsの瞬間的および/ま
たは連続的な振幅が小さくなるか、あるいは抵抗器Rsを横切る電圧降下が大き
くなり、かつ/またはV(phi)制御信号の瞬間的および/または連続的な振
幅が大きくなった場合にデューティ・サイクルを高くする。各変数の寄与は、適
切な制御アルゴリズムに従って重み付けされる。
However, when voltage Vs falls below a predetermined threshold voltage level, pulse modulator 1376 is turned on and modulates the duty cycle of DC / DC converter 1350 based on the combination of voltage control signals. The amplitude of Vs serves as the primary control signal that controls the duty cycle. The voltage drop across the current sensing resistor Rs is a function of the output current and serves as a second control signal. Finally, the signal V (psi) generated by the phase linear controller 1371 is a third signal that is directly proportional to the phase shift between the AC component of the cell voltage and the current obtained from the electrochemical cell 1330.
Is a control signal. In particular, the V (psi) signal is used to change the duty cycle in response to changes in internal impedance over the service run time of the battery. Duty cycle affects converter efficiency and battery service run time. The pulse modulator reduces the instantaneous and / or continuous amplitude of Vs, or increases the voltage drop across resistor Rs, and / or instantaneously and / or continuously the V (phi) control signal. Increase duty cycle when large amplitude increases. The contribution of each variable is weighted according to an appropriate control algorithm.

【0087】 パルス変調器1376がオンに切り替えられると、その発振器は、好ましくは
50%デューティ・サイクルと、約40KHzから約1MHzの範囲、より好ま
しくは約40KHzから約600KHzの範囲であり、一般に約600KHzが
最も好ましい周波数とを有する台形波制御パルスまたは方形波制御パルスを生成
する。パルス変調器1376は、適切な制御アルゴリズムを使用してMOSFE
T M3およびM4用の出力制御信号のデューティ・サイクルを変更する。最も
一般的には、制御アルゴリズムは、同じデューティ・サイクルであるが反対の位
相を有するデューティ・サイクルを用いてM3およびM4を操作する。MOSF
ET M3およびM4は、M3が好ましくはNチャネルMOSFETであり、M
4が好ましくはPチャネルMOSFETである相補高出力トランジスタであるこ
とが好ましい。基本的に、完全なDC/DCコンバータ1350の構成は、出力
に同期整流器を有するブーストDC/DCコンバータである。また、コンバータ
1350は、非同期ショットキー・ダイオードではなくMOSFET M3を使
用することによって、AC損失およびDC損失を最小限に抑える。別々の制御信
号がM3および電力MOSFET M4を駆動する。M3制御信号とM4制御信
号との間で位相および/またはデューティ・サイクルを変更すると、容器131
2の端子1320と端子1322との間の出力電圧が変更される。
When the pulse modulator 1376 is turned on, the oscillator preferably has a 50% duty cycle and a range from about 40 KHz to about 1 MHz, more preferably from about 40 KHz to about 600 KHz, and generally about 50 KHz to about 600 KHz. Generate a trapezoidal or square wave control pulse with 600 KHz being the most preferred frequency. The pulse modulator 1376 uses the appropriate control algorithm to
Change the duty cycle of the output control signal for TM3 and M4. Most commonly, the control algorithm operates M3 and M4 with duty cycles having the same duty cycle but opposite phases. MOSF
ET M3 and M4 are such that M3 is preferably an N-channel MOSFET;
Preferably, 4 is a complementary high power transistor, preferably a P-channel MOSFET. Basically, the configuration of a complete DC / DC converter 1350 is a boost DC / DC converter with a synchronous rectifier at the output. Converter 1350 also minimizes AC and DC losses by using MOSFET M3 instead of an asynchronous Schottky diode. Separate control signals drive M3 and power MOSFET M4. Changing the phase and / or duty cycle between the M3 and M4 control signals causes the container 131
The output voltage between the second terminal 1320 and the terminal 1322 is changed.

【0088】 位相変調器1376は、電圧Vsなど1つまたは複数の電圧制御信号、抵抗器
Rsを横切る電圧降下、または電気化学的セル1330の内部インピーダンスに
基づいてMOSFET M3およびM4を制御することができる。たとえば、負
荷電流消費量が低い場合、パルス変調器1376は、0%に近いDC/DCコン
バータ1350のデューティ・サイクルを生成する。しかし、負荷電流消費量が
高い場合、パルス変調器1376は、100%に近いDC/DCコンバータ13
50のデューティ・サイクルを生成する。負荷電流消費量がこの2つの終点の間
で変動するにつれて、パルス変調器1376は、負荷によって必要とされる電流
を供給するようにDC/DCコンバータのデューティ・サイクルを変動させる。
Phase modulator 1376 may control MOSFETs M 3 and M 4 based on one or more voltage control signals, such as voltage Vs, a voltage drop across resistor Rs, or the internal impedance of electrochemical cell 1330. it can. For example, when the load current consumption is low, the pulse modulator 1376 generates a duty cycle of the DC / DC converter 1350 close to 0%. However, if the load current consumption is high, the pulse modulator 1376 will provide a DC / DC converter 13
Generate 50 duty cycles. As the load current consumption fluctuates between the two endpoints, the pulse modulator 1376 varies the duty cycle of the DC / DC converter to supply the current required by the load.

【0089】 図14は、本発明のコントローラを有さない電池B1と、コンバータが連続モ
ードで動作するコントローラを有する本発明の電池B2と、電池が設計されてい
る所与の電子デバイス用の電池のカットオフ電圧を超えたときにコンバータがオ
ンに切り替わるコントローラを有する本発明の電池B3とに関する例示的な放電
曲線を比較した図である。図14に示すように、本発明のコントローラを有さな
い電池B1は、時間t1でカットオフ電圧Vcを有する電池デバイスで障害を起
こす。しかし、電池B2のコントローラは、電池のサービス・ラン・タイム全体
にわたって電池の出力電圧を連続的に電圧レベルV2に上昇させる。電池B2の
電気化学的セルのセル電圧が電圧レベルVd、すなわち、コントローラの最低動
作電圧に降下すると、時間t2で電池B2のコントローラが停止して電池出力電
圧がゼロに降下し、電池B2の有効サービス・ラン・タイムが終了する。図14
のグラフに示すように、コンバータが連続モードで動作するコントローラを有す
る電池B2の有効サービス・ラン・タイムが延びた分はt2−t1で表される。
FIG. 14 shows a battery B1 without a controller according to the invention, a battery B2 according to the invention with a controller in which the converter operates in continuous mode, and a battery for the given electronic device for which the battery is designed. FIG. 4 compares exemplary discharge curves for a battery B3 of the present invention having a controller with which the converter switches on when the cut-off voltage is exceeded. As shown in FIG. 14, the battery B1 without the controller of the present invention fails at time t1 in the battery device having the cut-off voltage Vc. However, the controller for battery B2 continuously increases the battery output voltage to voltage level V2 throughout the service run time of the battery. When the cell voltage of the electrochemical cell of the battery B2 drops to the voltage level Vd, that is, the minimum operating voltage of the controller, the controller of the battery B2 stops at time t2, the battery output voltage drops to zero, and the battery B2 becomes effective. Service run time ends. FIG.
As shown in the graph, the effective service run time of the battery B2 having the controller in which the converter operates in the continuous mode is increased by t2-t1.

【0090】 しかし、電池B3のコントローラは、電気化学的セルのセル電圧が所定の電圧
レベルVp3に達するまで電池の出力電圧の上昇を開始しない。所定の電圧レベ
ルVp3は、電気化学的セルの公称電圧レベル、ないし電池が電力を供給するこ
とになっている電子デバイスのクラスの最高カットオフ電圧の範囲であることが
好ましい。より好ましくは、所定の電圧レベルVp3は、電池が電力を供給する
ことになっている電子デバイスのクラスの最高カットオフ電圧Vcよりも約0.
2V高い。さらにより好ましくは、所定の電圧レベルVp3は、電池が電力を供
給することになっている電子デバイスのクラスの最高カットオフ電圧Vcよりも
約0.15V高い。さらにより好ましくは、所定の電圧レベルVp3は、電池が
電力を供給することになっている電子デバイスのクラスの最高カットオフ電圧V
cよりも約0.1V高く、約0.05V高いことが最も好ましい。セル電圧が所
定の電圧レベルVp3に達すると、電池B3のコンバータは出力電圧のレベルV
c+ΔVへの上昇または安定化を開始する。電圧レベルΔVは、図14に示され
ており、電池B3の上昇した出力電圧とカットオフ電圧Vcとの間の電圧差を表
す。電圧レベルΔVは好ましくは約0Vから約0.4Vの範囲であり、約0.2
Vがより好ましい。この場合、電池B3は、電気化学的セルのセル電圧が電圧レ
ベルVd、すなわち、コンバータの最小動作電圧に降下し、電池B3のコントロ
ーラが停止するまで出力を供給し続ける。この時点で、電池出力電圧は時間t3
でゼロに降下し、電池B3の有効サービス・ラン・タイムを終了する。図14の
グラフに示すように、本発明のコントローラを有さない電池B1と比べて電池B
3の有効サービス・ラン・タイムが延びた分はt3−t1で表される。
However, the controller of the battery B3 does not start increasing the output voltage of the battery until the cell voltage of the electrochemical cell reaches the predetermined voltage level Vp3. The predetermined voltage level Vp3 is preferably in the range of the nominal voltage level of the electrochemical cell or the highest cut-off voltage of the class of the electronic device for which the battery is to be powered. More preferably, the predetermined voltage level Vp3 is about 0,3 V higher than the highest cut-off voltage Vc of the class of the electronic device for which the battery is to supply power.
2V higher. Even more preferably, the predetermined voltage level Vp3 is about 0.15V higher than the highest cutoff voltage Vc of the class of the electronic device for which the battery is to supply power. Even more preferably, the predetermined voltage level Vp3 is the highest cut-off voltage Vp of the class of the electronic device for which the battery is to be powered.
Most preferably about 0.1V and about 0.05V above c. When the cell voltage reaches a predetermined voltage level Vp3, the converter of the battery B3 outputs the output voltage level Vp3.
Initiate a rise or stabilization to c + ΔV. Voltage level ΔV is shown in FIG. 14 and represents the voltage difference between the increased output voltage of battery B3 and cut-off voltage Vc. The voltage level ΔV preferably ranges from about 0V to about 0.4V, and
V is more preferred. In this case, battery B3 continues to provide output until the cell voltage of the electrochemical cell drops to voltage level Vd, the minimum operating voltage of the converter, and the controller of battery B3 shuts down. At this point, the battery output voltage is at time t3
To end the effective service run time of battery B3. As shown in the graph of FIG. 14, the battery B compared to the battery B1 without the controller of the present invention.
The extension of the effective service run time of No. 3 is represented by t3-t1.

【0091】 図14は、電池B3およびB2が同じ電子デバイスに接続されたときに電池B
2よりも電池B3の方が長持ちすることも示している。電池B2のコンバータが
連続的に動作するので、コンバータの内部損失によって電池B2の電気化学的セ
ルのエネルギー容量のうちのいくらかが消費され、したがって、電池B2のセル
電圧は、コントローラが放電サイクルの一部の間しか動作しない電池B3と比べ
てより短い時間でコンバータVdの最低動作電圧に達する。したがって、電池B
3が電力を供給している電子デバイスのカットオフ電圧にできるだけ近い電池B
3の所定の電圧Vp3の選択を最適化すると、電気化学的セルが最も効率的に使
用され、電池のサービス・ラン・タイムの延長がより長くなる。したがって、電
池B3の所定の電圧Vp3は好ましくは、電池B3が電力を供給することになっ
ている電子デバイスまたは電気装置のカットオフ電圧に等しいか、あるいはそれ
よりもわずかに高い。たとえば、所定の電圧Vp3は好ましくは、カットオフ電
圧よりも約0.2V高くてよい。より好ましくは、所定の電圧Vp3はカットオ
フ電圧よりも約1.5V高いことが好ましい。さらにより好ましくは、所定の電
圧Vp3は好ましくはカットオフ電圧よりも約0.1V高くてよく、カットオフ
電圧よりも約0.05V高いことが最も好ましい。
FIG. 14 shows that when batteries B3 and B2 are connected to the same electronic device,
This also shows that battery B3 lasts longer than battery B2. As the converter of battery B2 operates continuously, some of the energy capacity of the electrochemical cells of battery B2 is consumed by the internal losses of the converter, so that the cell voltage of battery B2 is reduced by the controller during one discharge cycle. The minimum operating voltage of the converter Vd is reached in a shorter time than the battery B3 that operates only between the sections. Therefore, battery B
Battery B as close as possible to the cut-off voltage of the electronic device supplying power
Optimizing the selection of the predetermined voltage Vp3 of 3 makes the most efficient use of the electrochemical cell and extends the service run time of the battery. Therefore, the predetermined voltage Vp3 of the battery B3 is preferably equal to or slightly higher than the cut-off voltage of the electronic device or the electrical device to which the battery B3 is to supply power. For example, the predetermined voltage Vp3 may preferably be about 0.2V higher than the cutoff voltage. More preferably, the predetermined voltage Vp3 is preferably about 1.5 V higher than the cutoff voltage. Even more preferably, the predetermined voltage Vp3 may be preferably about 0.1 V above the cutoff voltage, and most preferably about 0.05 V above the cutoff voltage.

【0092】 しかし、電池を様々な電池デバイス用の標準装置として設計する場合、所定の
電圧Vp3として、この電子デバイス群の最高カットオフ電圧に等しいか、ある
いはそれよりもわずかに高い電圧が選択されることが好ましい。たとえば、所定
の電圧Vp3は好ましくは、この電子デバイス群の最高カットオフ電圧よりも約
0.2V高くてよい。より好ましくは、所定の電圧Vp3はこの電子デバイス群
の最高カットオフ電圧よりも約0.15V高くてよい。さらにより好ましくは、
所定の電圧Vp3は好ましくはこの電子デバイス群の最高カットオフ電圧よりも
約0.1V高くてよく、この電子デバイス群の最高カットオフ電圧よりも約0.
05V高いことが最も好ましい。
However, when the battery is designed as a standard device for various battery devices, a voltage equal to or slightly higher than the maximum cutoff voltage of this group of electronic devices is selected as the predetermined voltage Vp3. Preferably. For example, the predetermined voltage Vp3 may preferably be about 0.2V higher than the highest cut-off voltage of this group of electronic devices. More preferably, the predetermined voltage Vp3 may be about 0.15V higher than the highest cutoff voltage of this group of electronic devices. Even more preferably,
The predetermined voltage Vp3 may preferably be about 0.1 V higher than the highest cut-off voltage of the group of electronic devices, and about 0.3 V higher than the highest cut-off voltage of the group of electronic devices.
Most preferably, it is 05V higher.

【0093】 図14のグラフは、コンバータVdの最低動作電圧が低ければ低いほど、サー
ビス・ラン・タイムの延長が、本発明のコントローラを有さない電池B1と比べ
て大きくなることも示している。また、電子デバイスVcのカットオフ電圧とコ
ンバータの最低動作電圧Vdとの間の差が大きければ大きいほど、電気化学的セ
ルのセル電圧が上昇するので、本発明のコントローラによる電池のサービス・ラ
ン・タイムの延長が大きくなる。
The graph of FIG. 14 also shows that the lower the minimum operating voltage of converter Vd, the longer the service run time is extended compared to battery B1 without the controller of the present invention. . Also, the greater the difference between the cut-off voltage of the electronic device Vc and the minimum operating voltage Vd of the converter, the higher the cell voltage of the electrochemical cell, so that the service run of the battery by the controller according to the invention is performed. The extension of time becomes large.

【0094】[0094]

【表2】 [Table 2]

【0095】 表2は、コンバータが連続モードで動作し、セル電圧を約1.6Vの出力電圧
に上昇させる内蔵コントローラを有する本発明のAAアルカリ電池に関する放電
データと、本発明のコントローラを有さない典型的なAAアルカリ電池に関する
放電データを比較した表である。この表のデータは、電池が、平均で約125m
Aを引き出す約12Ωの媒体抵抗負荷に接続されたときの、電池のサービス・ラ
ン・タイムにわたる各時間ごとの出力電圧、消費電力、および残留容量の割合(
総容量=2400mAh)を示している。表に示されているように、コンバータ
を有する電池の出力電圧は電池のサービス・ラン・タイムの間1.6Vのままで
あり、それに対して、コントローラを有さない電池の出力電圧はサービス・ラン
・タイムにわたって電池の公称電圧から低下していく。
Table 2 shows discharge data for an AA alkaline battery of the present invention with a built-in controller in which the converter operates in continuous mode and raises the cell voltage to an output voltage of about 1.6 V, and has the controller of the present invention. 3 is a table comparing discharge data for typical AA alkaline batteries. The data in this table shows that the battery is about 125 m on average
Percentage of output voltage, power consumption, and residual capacity each hour over the service run time of the battery when connected to a medium resistive load of about 12Ω that draws A
(Total capacity = 2400 mAh). As shown in the table, the output voltage of the battery with the converter remains at 1.6 V during the service run time of the battery, whereas the output voltage of the battery without the controller is the service voltage. It decreases from the battery's nominal voltage over the run time.

【0096】 表2は、内蔵コントローラを有する本発明の電池が、コントローラを有さない
AA電池に勝る2つの異なる利点を与えることをさらに示している。第1に、カ
ットオフ電圧が約1Vであるデバイスの場合、内蔵コントローラを有する電池の
ラン・タイムは約10時間であり、それに対して、コントローラを有さない電池
は、出力電圧が1Vよりも低い電圧に降下したときに最高で約8時間後にデバイ
スにおける動作を停止する。したがって、この例では、コントローラは、それを
有さない電池と比べて約25%のサービス・ラン・タイム延長を実現する。第2
に、負荷に供給される電力と、電池の定格容量のうちの、デバイスが停止する前
に使用される割合は、内蔵コントローラを有する本発明の電池の方がずっと高い
。一定電力ドレーン条件の下では、本発明のコントローラを有さない電池は、こ
の電池の出力電圧が低下するにつれて、電流を供給するセルの能力も比例して低
下するので、電子デバイスが停止する前の持続時間がずっと短い。このため、内
蔵コントローラを有する電池の方がずっと大きな利点が得られる。
Table 2 further shows that the battery of the present invention with a built-in controller offers two different advantages over AA batteries without a controller. First, for a device with a cut-off voltage of about 1 V, the run time of a battery with a built-in controller is about 10 hours, whereas a battery without a controller has an output voltage greater than 1 V. Stop operation in the device after up to about 8 hours when dropped to a lower voltage. Thus, in this example, the controller achieves a service run time extension of about 25% compared to a battery without it. Second
In addition, the percentage of the power supplied to the load and the rated capacity of the battery used before the device shuts down is much higher for the battery of the present invention with a built-in controller. Under constant power drain conditions, a battery without the controller of the present invention can be used before the electronic device shuts down, since as the output voltage of the battery decreases, the ability of the cell to supply current decreases proportionally. Duration is much shorter. For this reason, a battery with a built-in controller offers much greater advantages.

【0097】 しかし、電池のカットオフ電圧が約1.1Vである場合について、表2は、内
蔵コントローラを有する本発明の電池が、コントローラを有さないAA電池より
もずっと有利に動作することを示している。内蔵コントローラを有する電池のラ
ン・タイムは依然として約10時間であるが、コントローラを有さない電池は、
出力電圧が1.1Vよりも低い電圧に降下したときに最高で約6時間後にデバイ
スにおける動作を停止する。したがって、この例では、コントローラは、それを
有さない電池と比べて約67%のサービス・ラン・タイム延長を実現する。また
、負荷に供給される電力と、電池の定格容量のうちの、デバイスが停止する前に
使用される割合は、従来の例よりもずっと高い。この場合も、一定電流ドレーン
条件の下では、本発明のコントローラを有さない電池は、この電池の出力電圧が
低下するにつれて、電流を供給するセルの能力も比例して低下するので、電子デ
バイスが停止する前の持続時間がずっと短い。このため、内蔵コントローラを有
する電池の方がずっと大きな利点が得られる。
However, for the case where the cut-off voltage of the battery is about 1.1 V, Table 2 shows that the battery of the present invention with the integrated controller operates much more favorably than the AA battery without the controller. Is shown. While the run time of a battery with a built-in controller is still about 10 hours, a battery without a controller has
The device stops operating after up to about 6 hours when the output voltage drops below 1.1V. Thus, in this example, the controller achieves a service run time extension of about 67% compared to a battery without it. Also, the percentage of the power supplied to the load and the rated capacity of the battery used before the device stops is much higher than in the conventional example. Again, under constant current drain conditions, a battery without the controller of the present invention will have a lower electronic cell capacity as the output voltage of the battery will be reduced, as will the ability of the cell to supply current. The duration before stopping is much shorter. For this reason, a battery with a built-in controller offers much greater advantages.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 典型的な筒状電池構造の斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of a typical tubular battery structure.

【図2】 他の典型的な筒状電池構造の斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of another typical tubular battery structure.

【図3】 他の典型的な筒状電池構造の断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of another typical tubular battery structure.

【図4】 本発明の電池のブロック図である。FIG. 4 is a block diagram of the battery of the present invention.

【図4A】 図4に示されている電池の1つの好ましい実施形態のブロック図である。FIG. 4A is a block diagram of one preferred embodiment of the battery shown in FIG.

【図4B】 図4に示されている電池の他の好ましい実施形態のブロック図である。FIG. 4B is a block diagram of another preferred embodiment of the battery shown in FIG.

【図5A】 本発明の電池の好ましい実施形態の部分分解断面図である。FIG. 5A is a partially exploded sectional view of a preferred embodiment of the battery of the present invention.

【図5B】 本発明の電池の他の好ましい実施形態の部分分解断面図である。FIG. 5B is a partially exploded sectional view of another preferred embodiment of the battery of the present invention.

【図5C】 本発明の電池の他の好ましい実施形態の部分分解斜視図である。FIG. 5C is a partially exploded perspective view of another preferred embodiment of the battery of the present invention.

【図6】 本発明の多重セル電池の好ましい実施形態の部分断面斜視図である。FIG. 6 is a partial cross-sectional perspective view of a preferred embodiment of the multi-cell battery of the present invention.

【図7】 本発明の電池の他の好ましい実施形態のブロック図である。FIG. 7 is a block diagram of another preferred embodiment of the battery of the present invention.

【図8】 本発明の電池の他の好ましい実施形態のブロック図である。FIG. 8 is a block diagram of another preferred embodiment of the battery of the present invention.

【図9】 本発明の電池の他の好ましい実施形態のブロック図である。FIG. 9 is a block diagram of another preferred embodiment of the battery of the present invention.

【図9A】 図9の電池の好ましい実施形態の態様の一実施形態の概略図である。9A is a schematic diagram of one embodiment of an aspect of the preferred embodiment of the battery of FIG. 9;

【図9B】 図9の電池の好ましい実施形態の態様の他の好ましい実施形態のブロック図で
ある。
9B is a block diagram of another preferred embodiment of aspects of the preferred embodiment of the battery of FIG. 9;

【図10】 本発明の電池の他の好ましい実施形態のブロック図である。FIG. 10 is a block diagram of another preferred embodiment of the battery of the present invention.

【図11】 本発明の電池の他の好ましい実施形態のブロック図である。FIG. 11 is a block diagram of another preferred embodiment of the battery of the present invention.

【図12】 本発明の電池の他の好ましい実施形態のブロック図である。FIG. 12 is a block diagram of another preferred embodiment of the battery of the present invention.

【図13】 本発明の電池の他の好ましい実施形態のブロック図と概略図の組合せである。FIG. 13 is a combination of a block diagram and a schematic diagram of another preferred embodiment of the battery of the present invention.

【図14】 典型的な電池および本発明の電池の2つの異なる好ましい実施形態についての
放電特性曲線のグラフである。
FIG. 14 is a graph of discharge characteristic curves for a typical battery and two different preferred embodiments of the battery of the present invention.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SL,SZ,UG,ZW),E A(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ ,TM),AL,AM,AT,AU,AZ,BA,BB ,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CU,CZ, DE,DK,EE,ES,FI,GB,GD,GE,G H,GM,HR,HU,ID,IL,IN,IS,JP ,KE,KG,KP,KR,KZ,LC,LK,LR, LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK,MN,M W,MX,NO,NZ,PL,PT,RO,RU,SD ,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,TM,TR, TT,UA,UG,UZ,VN,YU,ZA,ZW (71)出願人 ONE PROCTER & GANBL E PLAZA,CINCINNATI, OHIO,UNITED STATES OF AMERICA (72)発明者 ネブリジック,ドラゴン ダニロ アメリカ合衆国オハイオ州、インディア ン、スプリングス、ミル、クレスト、ドラ イブ 4115 Fターム(参考) 5G003 BA01 DA02 GA01 GB03 5H025 AA07 CC31 CC33 CC39 5H040 AA00 AS13 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (81) Designated country EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE ), OA (BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, KE, LS, MW, SD, SL, SZ, UG, ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY , CA, CH, CN, CU, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP , KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TR, TT, UA, UG, UZ, VN, YU, ZA, ZW. STATES OF AMERICA (72) Inventor Nebrizic, Dragon Danilo Indian, Springs, Mills, Crest, Drive, Ohio, USA 4115 F-term (reference) 5G003 BA01 DA02 GA01 GB03 5H025 AA07 CC31 CC33 CC39 5H040 AA00 AS13

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 カットオフ電圧を有する装置に有用な一次電池であって、 (a)正端子および負端子を有する容器と、 (b)前記容器内に配設され、正電極と、負電極と、セルの前記正電極と前記
負電極の間で測定されるセル電圧と、公称電圧とを有する一次電気化学的セルと
を備え、 (c)前記容器の前記正端子と負端子との間で測定される出力電圧を生成する
ために前記セルの前記電極と前記容器の前記端子との間に電気的に接続され、 (i)前記出力電圧が装置のカットオフ電圧よりも高くなるように、前記コ
ントローラが、前記セル電圧を前記出力電圧に変換することによって電池のラン
・タイムを延ばすように、装置のカットオフ電圧よりも低いセル電圧で動作する
ようになされたコンバータを含むこと、 (ii)前記出力電圧が前記セルの公称電圧よりも低くなるように前記セル
電圧を前記出力電圧に変換するコンバータを含むこと、 (iii)前記セル電圧を前記出力電圧に変換するコンバータと、電荷を蓄
積して前記セルを電流ピークから保護するキャパシタとを含むことのうちの1つ
または複数を実現するコントローラを特徴とし、 一次電池が、単一セル電池、汎用単一セル電池、多重セル電池、および多重セ
ル混成電池から選択されることを特徴とする一次電池。
1. A primary battery useful in a device having a cut-off voltage, comprising: (a) a container having a positive terminal and a negative terminal; and (b) a positive electrode and a negative electrode disposed in the container. A primary electrochemical cell having a nominal voltage and a cell voltage measured between the positive and negative electrodes of the cell; and (c) between the positive and negative terminals of the container. Electrically connected between the electrode of the cell and the terminal of the container to generate an output voltage measured at: (i) the output voltage is higher than a cut-off voltage of the device. Wherein the controller includes a converter adapted to operate at a cell voltage lower than a cut-off voltage of the device, so as to extend a battery run time by converting the cell voltage to the output voltage; ii) the output voltage A converter for converting the cell voltage to the output voltage so as to be lower than a nominal voltage of the cell; (iii) a converter for converting the cell voltage to the output voltage; Wherein the primary battery comprises a single-cell battery, a universal single-cell battery, a multi-cell battery, and a multi-cell hybrid battery. A primary battery, which is selected.
【請求項2】 一次電池が、装置と直列接続された整数個の電池のうちの1
つとして電気的に接続されるようになされ、前記出力電圧が、前記整数個の電池
によって分割された装置のカットオフ電圧以上であり、一次電池が多重セル電池
であり、前記一次電池がさらに、正出力端子および負出力端子を備え、前記容器
、前記セル、および前記コントローラが第1のセル・ユニットを形成し、前記第
1のセル・ユニットが前記正出力端子と前記負出力端子との間に電気的に直列接
続された整数個のセル・ユニットのうちの1つであり、前記出力電圧が、前記整
数個のセル・ユニットによって分割された装置のカットオフ電圧以上であること
を特徴とする請求項1に記載の一次電池。
2. The method according to claim 1, wherein the primary battery is one of an integer number of batteries connected in series with the device.
The output voltage is equal to or higher than the cut-off voltage of the device divided by the integer number of batteries, the primary battery is a multi-cell battery, and the primary battery is further configured as: A positive output terminal and a negative output terminal, wherein the container, the cell, and the controller form a first cell unit, wherein the first cell unit is disposed between the positive output terminal and the negative output terminal. One of an integer number of cell units electrically connected in series, wherein the output voltage is equal to or higher than a cutoff voltage of a device divided by the integer number of cell units. The primary battery according to claim 1.
【請求項3】 前記コントローラが前記セル電圧を少なくとも0.6Vより
も低い電圧に調整することを特徴とする請求項1または2に記載の一次電池。
3. The primary battery according to claim 1, wherein the controller adjusts the cell voltage to a voltage lower than at least 0.6V.
【請求項4】 前記コントローラが、前記セル電圧が所定の電圧レベルに低
下したときに前記セルの前記電極と前記容器の前記端子との間に前記コンバータ
を電気的に接続するようになされ、公称電圧が1.5Vであるセルの場合に装置
のカットオフ電圧が1Vであるときに前記セルの深い放電を可能にし、かつ/ま
たは前記セルがリチウム・セルであり装置のカットオフ電圧が2.4Vであると
きに前記セルの少なくとも90%の放電が可能になるように、前記所定の電圧レ
ベルが、公称電圧が1.5Vであるセルについての0.8Vから1.2Vの範囲
と、装置のカットオフ電圧から装置のカットオフ電圧に0.2Vを加えた値まで
の範囲と、装置のカットオフ電圧から前記セルの前記公称電圧までの範囲とから
なる群から選択されることが好ましいことを特徴とする請求項1ないし3のいず
れか一項に記載の一次電池。
4. The controller, wherein the controller is adapted to electrically connect the converter between the electrode of the cell and the terminal of the container when the cell voltage drops to a predetermined voltage level, the controller comprising: 1. Enable deep discharge of the cell when the cutoff voltage of the device is 1V for a cell with a voltage of 1.5V and / or the cutoff voltage of the device is 2. The predetermined voltage level ranges from 0.8V to 1.2V for a cell having a nominal voltage of 1.5V to allow at least 90% discharge of the cell when at 4V; A range from the cut-off voltage of the device to a value obtained by adding 0.2 V to the cut-off voltage of the device, and a range from the cut-off voltage of the device to the nominal voltage of the cell. The primary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein
【請求項5】 前記コンバータが、 (i)前記セルの前記正電極および前記負電極に電気的に接続された制御回路
であって、前記制御回路が好ましくは、パルス変調器を含み、より好ましくは前
記パルス変調器が、少なくとも1つの入力制御信号を有するパルス幅変調器を含
み、さらにより好ましくは前記パルス変調器が、前記コンバータを前記セルから
電気的に切断し、前記コンバータを前記セルに電気的に接続するようになされ、
さらにより好ましくは前記パルス変調器が、前記セルの内部インピーダンス、ド
レーン電流、および前記出力電圧の群から選択された1つまたは複数の制御信号
に少なくとも部分的に基づいて、前記コンバータを前記セルから電気的に切断し
、前記コンバータを前記セルに電気的に接続するようになされ、さらにより好ま
しくは前記パルス変調器が、前記セル電圧が所定の電圧レベルに低下したときに
前記セルの前記電極と前記容器の前記端子との間に前記コンバータを電気的に接
続するようになされ、前記所定の電圧レベルが好ましくは、装置のカットオフ電
圧からほぼ前記セルの公称電圧までの範囲である制御回路と、 (ii)前記制御回路に電気的に接続されたDC/ACドライバと、 (iii)前記DC/ACドライバならびに前記容器の前記正端子および前記
負端子に電気的に接続された同期整流器とをさらに備えることを特徴とする請求
項1ないし4のいずれか一項に記載の一次電池。
5. The converter, wherein: (i) a control circuit electrically connected to the positive electrode and the negative electrode of the cell, wherein the control circuit preferably includes a pulse modulator, more preferably Wherein said pulse modulator comprises a pulse width modulator having at least one input control signal, and even more preferably said pulse modulator electrically disconnects said converter from said cell and connects said converter to said cell. To be electrically connected,
Even more preferably, the pulse modulator causes the converter to convert from the cell based at least in part on one or more control signals selected from the group of an internal impedance of the cell, a drain current, and the output voltage. Electrically disconnecting and electrically connecting the converter to the cell, and even more preferably, the pulse modulator is configured to connect to the electrode of the cell when the cell voltage drops to a predetermined voltage level. A control circuit adapted to electrically connect the converter between the terminals of the container and the predetermined voltage level is preferably in a range from a cut-off voltage of the device to approximately a nominal voltage of the cell. (Ii) a DC / AC driver electrically connected to the control circuit; and (iii) the DC / AC driver and the DC / AC driver. Primary cell according to any one of claims 1 to 4, characterized in that said positive terminal and said negative terminal of the container further comprises an electrically connected synchronous rectifier.
【請求項6】 前記コントローラが、 (iv)前記セルの前記正電極および負電極に電気的に接続され、前記コンバ
ータおよび前記容器の前記負端子に仮想グラウンドを供給し、好ましくは電荷ポ
ンプ回路を含み、前記仮想グラウンドが好ましくは、前記セルの前記負電極の電
圧レベルよりも低い電圧であるグラウンド・バイアス回路をさらに含むことを特
徴とする請求項1ないし5のいずれか一項に記載の一次電池。
6. The controller, comprising: (iv) electrically connected to the positive and negative electrodes of the cell, providing a virtual ground to the converter and the negative terminal of the container, preferably comprising a charge pump circuit. 6. The primary according to claim 1, further comprising a ground bias circuit, wherein the virtual ground is preferably at a voltage lower than the voltage level of the negative electrode of the cell. battery.
【請求項7】 前記公称電圧が1.5Vよりも高いことを特徴とする請求項
1ないし6のいずれか一項に記載の一次電池。
7. The primary battery according to claim 1, wherein the nominal voltage is higher than 1.5V.
【請求項8】 前記セルがリチウム・セルであり、前記セルの前記公称電圧
が2.8Vから4.0Vの範囲であり、前記コントローラが、前記出力電圧が1
.0Vから1.6Vの範囲になるように前記セル電圧を段階的に低下させること
を特徴とする請求項1ないし7のいずれか一項に記載の一次電池。
8. The cell is a lithium cell, wherein the nominal voltage of the cell is in the range of 2.8V to 4.0V, and wherein the controller is configured to control the output voltage to be 1V.
. The primary battery according to any one of claims 1 to 7, wherein the cell voltage is reduced stepwise so as to fall within a range of 0V to 1.6V.
【請求項9】 (a)正入力端子と、 (b)前記正入力端子に電気的に接続された負入力端子と、 (c)カットオフ電圧とを含む装置をさらに備えることを特徴とする請求項1
ないし8のいずれか一項に記載の一次電池。
9. An apparatus comprising: (a) a positive input terminal; (b) a negative input terminal electrically connected to the positive input terminal; and (c) a cutoff voltage. Claim 1
The primary battery according to any one of claims 1 to 8.
【請求項10】 一次電池のラン・タイムを延ばす方法であって、 (a) (i)正端子および負端子を有する容器と、 (ii)前記容器内に配設され、正電極と、負電極と、セルの前記正電極と
前記負電極の間で測定されるセル電圧と、公称電圧とを有する電気化学的セルと
、 (iii)前記容器の前記正端子と前記負端子との間で測定される出力電圧
を生成するために前記セルの前記電極と前記容器の前記端子との間に電気的に接
続され、コンバータを含むコントローラとを含む一次電池を設けるステップと、 (b)カットオフ電圧を有する装置に前記一次電池を電気的に接続するステッ
プと、 (c)前記出力電圧が装置のカットオフ電圧よりも高くなるように前記セル電
圧を前記出力電圧に変換するステップとを含むことを特徴とする方法。
10. A method of extending the run time of a primary battery, comprising: (a) (i) a container having a positive terminal and a negative terminal; (ii) a positive electrode disposed in the container, An electrochemical cell having an electrode, a cell voltage measured between the positive and negative electrodes of the cell, and a nominal voltage; and (iii) between the positive and negative terminals of the container. Providing a primary battery electrically connected between the electrode of the cell and the terminal of the container to generate a measured output voltage, the primary battery including a controller including a converter; and (b) cut-off. Electrically connecting the primary battery to a device having a voltage; and (c) converting the cell voltage to the output voltage such that the output voltage is higher than a cutoff voltage of the device. Characterized by Method.
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